Analiza możliwości wykorzystania niekonwencjonalnych źródeł energii w obiekcie budowlanym
advertisement
AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA im. Stanisáawa Staszica w Krakowie Wydziaá Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Kierunek Elektrotechnika àukasz Mruk „Analiza moĪliwoĞci wykorzystania niekonwencjonalnych Ĩródeá energii w obiekcie budowlanym” Opiekun Prof. dr hab. inĪ. Romuald Wáodek Kraków 2004 Spis treĞci Spis treĞci Przedmowa .......................................................................................................... 4 1. WstĊp .............................................................................................................. 5 2. Cel i zakres pracy .......................................................................................... 7 3. PojĊcie „ZrównowaĪonego 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 ciepáa w geotermalnych wymiennikach ciepáa ....... 34 5.3. Sposoby wykorzystania przypowierzchniowej energii geotermicznej ... 38 5.4. Geotermalne systemy wydobywczo – przetwarzające ........................... 49 6. Technologie wykorzystania energii geotermalnej w ciepáowniach i elektrowniach ............................................................................................... 56 6.1. Podstawowe ukáady systemów energii geotermalnej w ciepáownictwie. 60 6.2. Podstawowe schematy ciepáowni geotermalnych .................................. 63 6.3. Wykorzystanie energii geotermalnej w elektrowniach i elektrociepáowniach .............................................................................. 66 6.4. Przegląd udanych przedsiĊwziĊü ze Ĩródeá geotermicznych w Polsce .. 69 7. Porównanie geotermalnego Ĩródáa ciepáa ze Ĩródáem konwencjonalnym ........................................................................................ 73 Podsumowanie ................................................................................................... 79 DODATKI .......................................................................................................... 82 2 Spis treĞci A. Zasoby i moĪliwoĞci wykorzystania wód geotermalnych w Maáopolsce - zarys ............................................................................. 83 A.1. WystĊpowanie wód geotermalnych w Maáopolsce ......................... 83 A.2. Wytypowane strefy do wykorzystania energii geotermalnej .......... 87 B. Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu .............................. 93 B.1. Charakterystyka hydrogeotermalna niecki podhalaĔskiej .............. 93 B.2. Zarys historyczny zagospodarowania wód geotermalnych na Podhalu ...................................................................................... 95 B.3. Geotermalny system ciepáowniczy 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 Prace dyplomowe są końcowym etapem edukacji na studiach wyższych. Są one znaczącym przejawem umiejętności badawczych, analizy i krytycznego myślenia studenta. W zależności od dyscypliny naukowej, prace dyplomowe przybierają różne formy i poruszają różnorodne tematy, od praktycznych do teoretycznych, od konkretnych do abstrakcyjnych. Wybór tematu, zebranie i analiza danych, tworzenie wniosków - wszystko to jest nieodzowną częścią procesu tworzenia pracy dyplomowej. Pierwszym przykładem, który warto rozważyć, są prace z teologii. W takich pracach student może badać wpływ wiary na społeczeństwo, relacje między religią a nauką, lub analizować interpretacje i znaczenia konkretnych tekstów religijnych. Kolejnym obszarem zainteresowania mogą być prace o prawach człowieka. Tutaj studenci mogą zająć się badaniem historii praw człowieka, analizować różne przypadki naruszeń tych praw, lub zbadać jak prawa człowieka są przestrzegane w różnych częściach świata. Prace z negocjacji to z kolei prace, które koncentrują się na strategiach negocjacyjnych, procesach decyzyjnych, czy wpływie kultury na negocjacje. W praktyce mogą one obejmować studia przypadków, symulacje, czy analizę transkryptów rzeczywistych negocjacji. Warto też zauważyć, że polskie prace dyplomowe nie ustępują jakością tym tworzonym za granicą. Niezależnie od tego, czy dotyczą one kampanii społecznych, zagadnień związanych z prawem czy bankowością, są one z reguły dobrze napisane i gruntownie zbadane. Prace o kampaniach społecznych mogą obejmować analizę skuteczności konkretnej kampanii, badać wpływ mediów społecznościowych na kampanie społeczne, czy porównać różne strategie używane w kampaniach społecznych. Śląsk to wyjątkowy region, o bogatej historii i kulturze, więc prace o Śląsku mogą dotyczyć różnych aspektów, od historii gospodarczej regionu, przez analizę dialektów śląskich, do badań społeczno-kulturowych. W dziedzinie bankowości, prace dyplomowe mogą obejmować analizę ryzyka kredytowego, badanie innowacji w usługach bankowych, lub analizowanie skutków kryzysów finansowych na sektor bankowy. Prace z prawa to z kolei obszar, który może obejmować szerokie spektrum tematów, od badań konkretnych przypadków, przez analizę ustaw, po badanie wpływu prawa na społeczeństwo. Praca dyplomowa jest oceniana przez opiekuna pracy oraz komisję egzaminacyjną na podstawie jej treści, jakości wykonania, oryginalności, umiejętności analizy i wnioskowania oraz sposobu prezentacji. Praca dyplomowa ma duże znaczenie dla studentów, ponieważ może mieć wpływ na ocenę końcową oraz być podstawą do dalszej kariery zawodowej lub podjęcia dalszych studiów. Przedmowa Przedmowa Niniejsza praca „Analiza moĪliwoĞci wykorzystania niekonwencjonalnych Ĩródeá energii w obiekcie budowlanym” zostaáa poĞwiĊcona jednemu z odnawialnych Ĩródeá energii którym jest szeroko rozumiana energia geotermiczna. PodjĊcie siĊ pisania takiego tematu na wydziale elektrycznym, z jednej strony moĪe byü ciekawym uzupeánieniem wiedzy, w trochĊ innym zakresie niĪ ta zdobyta w trakcie realizacji studiów, z drugiej jednak strony stanowi pewne wyzwanie, z uwagi na koniecznoĞü szukania nowych Ĩródeá informacji. Decyzja o podjĊciu pisania pracy magisterskiej na taki wáaĞnie temat, wynikáa z zainteresowania odnawialnymi Ĩródáami energii, jak równieĪ z sentymentu dla Podhala, gdzie obok wspaniaáej górskiej przyrody, istnieje jeszcze jedno naturalne bogactwo tego regionu – energia geotermalna. W trakcie poszukiwaĔ materiaáów potrzebnych do realizacji niniejszej pracy, na „geotermalnym szlaku” pojawiali siĊ Īyczliwi ludzie, sáuĪący swoją radą i pomocą. Dlatego w tym miejscu autor skáada serdeczne podziĊkowania, w szczególnoĞci Panu Dr inĪ. Wiesáawowi Bujakowskiemu, Kierownikowi Zakáadu Energii Odnawialnej w Instytucie Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Pani Dr Beacie KĊpiĔskiej, Kierownikowi Laboratorium Geotermalnego PAN w Biaáym Dunajcu oraz Panu Mgr inĪ. Tomaszowi Misarko, pracownikowi PEC Geotermia PodhalaĔska S.A., za okazaáą pomoc, oraz cenne uwagi i wskazówki. PragnĊ równieĪ serdecznie podziĊkowaü opiekunowi pracy, Panu Prof. dr hab. inĪ. Romualdowi Wáodkowi, za poĞwiĊcony czas, ĪyczliwoĞü i opiekĊ naukowo – techniczną. Kraków, czerwiec 2004 àukasz Mruk 4 WstĊp 1. WstĊp ĝwiat początku XXI wieku nastawiony jest na konsumpcyjny styl Īycia, równieĪ w dziedzinie energetyki. ZwiĊkszające siĊ potrzeby energetyczne i związane z tym szybkie wyczerpywanie siĊ surowców mineralnych, to objaw postĊpu technologicznego, który w porĊ nie skierowany na odpowiednie tory moĪe przyczyniü siĊ do nieodwracalnych zmian globalnego klimatu Ziemi. Rabunkowa gospodarka zasobami paliw kopalnych, zagraĪa nie tylko stabilnoĞci energetycznej przyszáych pokoleĔ, ale przede wszystkim związana jest z ogromną dewastacją i zatruwaniem Ğrodowiska naturalnego. Trzeba otwarcie powiedzieü, Īe znaczący w tym udziaá ma Ğwiatowa energetyka zawodowa i przemysáowa, oparta wáaĞnie w przewaĪającym stopniu na spalaniu paliw kopalnych w tym wĊgla – najwiĊkszego „truciciela” naszej ziemskiej atmosfery. Dalsza eksploatacja paliw konwencjonalnych w obecnym stopniu, moĪe doprowadziü w przyszáoĞci do realnego kryzysu paliwowego oraz do przekroczenia bariery ekologicznej o niewyobraĪalnych skutkach klimatycznych. Jedynym lekarstwem wydaje siĊ wiĊc wprowadzanie technologii energooszczĊdnych oraz zastĊpowanie paliw konwencjonalnych – niekonwencjonalnymi, odnawialnymi Ĩródáami energii. Uzyskany w ten sposób cel, ograniczenia rabunkowej gospodarki zasobami kopalnymi i zmniejszenia zanieczyszczenia Ğrodowiska, powinien byü realizowany jak najszybciej. Tak rozumiana proekologiczna modernizacja sektora paliwowo – energetycznego jest jak najbardziej poĪądana, i na szczĊĞcie zauwaĪa siĊ coraz wiĊksze zainteresowanie i dziaáania zmierzające ku temu celowi. Obecnie wiele paĔstw na Ğwiecie zdaáo sobie sprawĊ z dobrodziejstw wynikających ze stosowania odnawialnych Ĩródeá energii (OħE) i coraz czĊĞciej siĊgają po ten typ energii, jako alternatywĊ dla Ĩródeá konwencjonalnych. Polska jako kraj czáonkowski Unii Europejskiej, zobowiązany jest do ograniczenia udziaáu paliw konwencjonalnych w bilansie energetycznym kraju, na rzecz energii pozyskiwanej z OħE na poziomie 12% w 2010 roku. Fakt ten wymusza wiĊc podejmowanie konkretnych dziaáaĔ zmierzających do zrealizowania naszych zobowiązaĔ wobec UE pod tym wzglĊdem. Jest to powaĪne wyzwanie, ale mimo wszystko realne do osiągniĊcia, bowiem wedáug licznych analiz, krajowe zasoby OħE moĪliwe do pozyskania pod wzglĊdem technicznym i ekonomicznym wynoszą 25 ÷ 30%, w odniesieniu do caákowitego bilansu energetycznego Polski. 5 WstĊp WĞród zasobów energii odnawialnych w Polsce, znaczący udziaá ma energia geotermalna, bowiem jak udokumentowano, na obszarze niemal 90% naszego kraju, wystĊpują zbiorniki wgáĊbnych wód termalnych. Najbardziej zasobne i korzystne pod wzglĊdem parametrów geotermalnych są obszary NiĪu Polskiego oraz Podhala gdzie juĪ obecnie istnieje kilka zakáadów geotermalnych, zapewniających ogrzewanie i ciepáą wodĊ uĪytkową okolicznym miastom. Na Ğwiecie ten rodzaj energii równieĪ rozwija siĊ w szybkim tempie i oprócz wykorzystania do celów grzewczych, energia geotermalna znajduje zastosowanie w róĪnych dziedzinach, w tym równieĪ, przy odpowiednich warunkach do produkcji prądu elektrycznego. Zagadnienia wykorzystania energii geotermalnej, są obecnie realizowane w ramach specjalistycznego dziaáu energetyki zwanego geoenergetyką. W niniejszej pracy energia geotermalna stanowi przedmiot zainteresowania pod wzglĊdem moĪliwoĞci jej wykorzystania w warunkach polskich do celów grzewczych w budownictwie. 6 Cel i zakres pracy 2. Cel i zakres pracy Celem pracy jest przedstawienie rozwiązaĔ umoĪliwiających wykorzystanie niekonwencjonalnych Ĩródeá energii w obiekcie budowlanym, na przykáadzie energii geotermicznej, ze szczególnym uwzglĊdnieniem energii geotermalnej. W pracy zwrócono gáównie uwagĊ na moĪliwoĞci pozyskania i wykorzystania energii geotermalnej do celów grzewczych, i związanego z tym efektu ekologicznego z tytuáu zastąpienia energią odnawialną i czystą, konwencjonalnych Ĩródeá energii opartych na spalaniu paliw kopalnych. Zakres pracy obejmuje zatem: - zagadnienia geologiczne związane z energią geotermiczną, - ogólną charakterystykĊ hydrogeologiczną wystĊpowania energii geotermalnej na obszarze Polski z uwzglĊdnieniem potencjalnych zasobów wód podziemnych i moĪliwej do pozyskania z nich energii, - przegląd róĪnych sposobów pozyskiwania i wykorzystania przypowierzchniowej energii geotermicznej i wgáĊbnej energii geotermalnej, - rodzaje i rozwiązania techniczne ciepáowni geotermalnych z uwzglĊdnieniem przystosowania do nich odbiorców ciepáa, - efekt ekologiczny związany z wycofywaniem ciepáowni konwencjonalnych na rzecz ciepáowni geotermalnych, - zarys udanych przedsiĊwziĊü geotermalnych w Polsce, - analizĊ moĪliwoĞci wykorzystania wód geotermalnych w Maáopolsce, - charakterystykĊ zagospodarowania geotermii na Podhalu. 7 PojĊcie zrównowaĪonego rozwoju... 3. PojĊcie „ZrównowaĪonego rozwoju energetycznego” w odniesieniu do rozwoju energii odnawialnej w Polsce PojĊcie „ZrównowaĪonego rozwoju energetycznego” zrodziáo siĊ z rosnącej ogólnoĞwiatowej troski o ujemne skutki jakie niesie za sobą zaspakajanie coraz wiĊkszych potrzeb ludzkoĞci w zakresie zaopatrzenia w energiĊ, jaka zarysowaáa siĊ w koĔcu XX wieku [3]. Coraz wiĊksze zapotrzebowanie na energiĊ pierwotną uwarunkowane rozwojem gospodarczym i przyrostem ludnoĞci na Ziemi, powoduje wyczerpywanie siĊ konwencjonalnych surowców energetycznych, jakimi są paliwa kopalne. Jednak nie wyczerpywanie siĊ naturalnych zasobów paliw konwencjonalnych, lecz globalne skaĪenie Ğrodowiska naturalnego produktami ich spalania: pyáami, tlenkami siarki, azotu i wĊgla, jest najwiĊkszym zagroĪeniem dla ludzkoĞci. Bez wprowadzania Ğrodków zaradczych polegających na oszczĊdzaniu energii, zastĊpowaniu tradycyjnych noĞników innymi, bardziej przyjaznymi dla Ğrodowiska naturalnego, trudno bĊdzie zahamowaü dalszą degradacjĊ otaczającego nas ĝwiata. Problematyka ta omawiana byáa na wielu konferencjach miĊdzynarodowych, m.in. na Szczycie Ziemi w Rio De Janeiro, oraz ĝwiatowym Szczycie Klimatycznym w Kioto w 1997 roku, jak równieĪ na wielu ĝwiatowych Kongresach Energetycznych. Polityka energetyczna staáa siĊ wiĊc jedną z waĪnych zasad zrównowaĪonego rozwoju energetycznego, który umoĪliwia zaspokojenie potrzeb energetycznych, nie bĊdąc równoczeĞnie szkodliwym dla Ğrodowiska. Idea zrównowaĪonego rozwoju energetycznego obejmuje dwa podstawowe kierunki dziaáaĔ polegające na: x zapewnieniu dostatecznej iloĞci energii obecnie i w przyszáoĞci, x zmniejszeniu szkodliwoĞci oddziaáywania paliw na Ğrodowisko naturalne. Biorąc pod uwagĊ wyczerpywalnoĞü paliw kopalnych oraz ich szkodliwy wpáyw na otaczające nas Ğrodowisko, podejmuje siĊ odpowiednie kierunki dziaáaĔ, mające tym zagroĪeniom zaradziü poprzez [3]: x zwiĊkszenie udziaáu odnawialnych Ĩródeá energii (biomasa, energia geotermalna, energia wiatru, sáoĔca, wody) w globalnym bilansie energetycznym, x zwiĊkszenie efektywnoĞci wykorzystania energii (technologie energooszczĊdne), tak by, zuĪywając mniej energii, moĪna byáo zapewniü 8 PojĊcie zrównowaĪonego rozwoju... odpowiedni poziom usáugi energetycznej (komfort cieplny, poziom oĞwietlenia itp.) KoniecznoĞü oszczĊdnego traktowania zasobów kopalnych w Ğwiecie, a szczególnie ochrony naszego naturalnego Ğrodowiska, to wymogi stawiane ludzkiej dziaáalnoĞci politycznej i gospodarczej. RównieĪ z koniecznoĞcią takiej dziaáalnoĞci mamy do czynienia w Polsce, gdzie najwiĊkszy udziaá w bilansie emisji zanieczyszczeĔ Ğrodowiska, zwáaszcza emisji SO2, ma energetyka zawodowa (rys. 3.1.). Zmniejszenie emisji SO2, jak równieĪ CO2 i NOX, bĊdzie moĪliwe tylko wtedy, gdy zostaną podjĊte odpowiednie kroki w zakresie oszczĊdnego wykorzystywania energii i jej pozyskiwania ze Ĩródeá odnawialnych. ħródáa zanieczyszczeĔ powietrza w Polsce 2500 2368 [tys. ton] 2000 1500 1195 1250 1154 1000 406 500 623 521 360 200 470 417 157 128 118 131 46 0 0 0 SO2 NO2 Pyá Rodzaj zanieczyszczenia Ogóáem En.zawodowa En.przemysáowa Tech.przemysáowe Inne Ĩródáa stacjonarne ħródáa mobilne Rys. 3.1. Zestawienie Ĩródeá zanieczyszczeĔ powietrza w Polsce ħródáo: Opracowanie wáasne na podstawie [13] Poprawa stanu Ğrodowiska naturalnego poprzez wykorzystywanie odnawialnych Ĩródeá energii (OħE), uzaleĪniona jest w duĪej mierze od tego w jakim stopniu polityka ekologiczna, zostanie zintegrowana z polityką gospodarczą, co leĪy obecnie w kwestii Rządu. MoĪna jednak powiedzieü, Īe energetyka odnawialna, jak do tej pory, nie miaáa priorytetu w polityce gospodarczej paĔstwa, a pojedyncze zapisy dotyczące tej energii miaáy raczej charakter 9 PojĊcie zrównowaĪonego rozwoju... deklaratywny. Nie mniej jednak wprowadzenie w Īycie przez Sejm RP w 2001 roku „Strategii Rozwoju Energetyki Odnawialnej w Polsce”, byáo waĪnym momentem dla przyszáego rozwoju Ĩródeá odnawialnych w Polsce. W/w dokument zakáada zwiĊkszenie udziaáu energii ze Ĩródeá odnawialnych w bilansie paliwowo – energetycznym kraju do 7,5% w 2010 roku i do 14% w roku 2020. Kolejnym krokiem sprzyjającym rozwijaniu siĊ energetyki niekonwencjonalnej w Polsce, byáo uchwalenie Rozporządzenia Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 30 maja 2003 roku, w sprawie obowiązku zakupu energii elektrycznej i ciepáa z odnawialnych Ĩródeá energii, oraz energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepáa. Fakt ten, jak równieĪ nasze zobowiązania wobec Unii Europejskiej (12% w 2010 r) w tym temacie, przyczyniáy siĊ do wiĊkszego zainteresowania wprowadzeniem odnawialnych Ĩródeá energii w Polsce, w tym równieĪ technologią pozyskiwania energii geotermalnej. Jednak zaáoĪenia musiaáy zostaü skonfrontowane z aktualnymi moĪliwoĞciami pozyskiwania energii odnawialnych w Polsce. Na przeáomie kilku ostatnich lat dokonano szeregu analiz, dotyczących oszacowania potencjaáu technicznego OħE na terenie naszego kraju. W prace zaangaĪowane byáy miĊdzy innymi: Europejskie Centrum Energii Odnawialnej przy Instytucie Budownictwa Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa (EC BREC), oraz Bank ĝwiatowy. Istnieją jednak pewne rozbieĪnoĞci w ocenie potencjaáu technicznego OħE wystĊpujących w Polsce wg poszczególnych ekspertyz, nie mniej jednak moĪna stwierdziü, Īe okoáo 30% rocznego zapotrzebowania na energiĊ pierwotną w Polsce (na rok 2000) moĪna uzyskaü z odnawialnych Ĩródeá energii (rys. 3.2.). Z danych zawartych w na rysunku 3.2., wynika Īe najwiĊkszy potencjaá energetyczny posiada biomasa, okoáo 810 PJ, a z pozostaáych OħE moĪe z nią konkurowaü wáaĞciwie tylko energia geotermalna. Energia geotermalna prócz tego Īe zajmuje drugie miejsce wĞród odnawialnych Ĩródeá energii pod wzglĊdem potencjaáu technicznego (200 PJ) , posiada równieĪ inna waĪną cechĊ dającą jej przewagĊ nad pozostaáymi OħE. Energia geotermalna jest mianowicie pozbawiona zaleĪnoĞci od zmiennych warunków pogodowych i klimatycznych, co w porównaniu np. z energią wiatrową czy sáoneczną daje jej znaczną przewagĊ , jeĪeli chodzi o stabilnoĞü energetyczną. 10 PojĊcie zrównowaĪonego rozwoju... Energia [PJ] Udziaá OħE w bilansie energetycznym kraju *) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 810 200 55 50 36 Odnawialne Ĩródáa energii Biomasa 70,38% En.geotermalna 17,38% En.wodna 4,34% En.wiatrowa 3,12% En.sáoneczna 4,78% Rys. 3.2. Potencjaá energetyczny OħE w Polsce, moĪliwy do wykorzystania pod wzglĊdem techniczno – ekonomicznym *) - Energia z OħE moĪliwa do pozyskania wynosi ok. 1151 PJ co stanowi ok. 30% rocznego zapotrzebowania na energiĊ pierwotną w Polsce (ok. 4000 PJ 2000r), 1 PJ = 1015 J ħródáo: Opracowanie wáasne na podstawie [13], [35] W Polsce istnieją znaczne zasoby odnawialnych Ĩródeá energii, których wykorzystanie w przyszáoĞci moĪe zrealizowaü plan energetyczny kraju, zawarty w „Strategii Rozwoju Energetyki Odnawialnej w Polsce”, co z pewnoĞcią przyczyni siĊ równieĪ do polepszenia komfortu Īycia ludzi przez ograniczenie emisji do atmosfery szkodliwych dla zdrowia gazów. Jednak aby tak siĊ staáo, potrzebna jest wiĊksza ĞwiadomoĞü i przekonanie ludzi do takiej formy energii, ale przede wszystkim konkretne dziaáania Rządu, wspierające rozwój OħE. 11 Energia geotermalna 4. Energia geotermalna 4.1. Wprowadzenie Energia geotermiczna jest wewnĊtrznym ciepáem Ziemi, zgromadzonym w magmie, skaáach i páynach (woda, para wodna, ropa naftowa, gaz ziemny itp.) wypeániających pory i szczeliny skalne. Energia geotermalna obejmuje natomiast czĊĞü energii geotermicznej zawartej w wodzie, parze wodnej oraz gorących suchych skaáach. Ciepáo wnĊtrza Ziemi pochodzi czĊĞciowo z procesów formowania siĊ naszej planety w przeszáoĞci, a czĊĞciowo jest ciepáem pochodzącym z innych wewnĊtrznych Ĩródeá ciepáa, do których naleĪą procesy naturalnego rozkáadu pierwiastków promieniotwórczych (uranu, toru, potasu), oraz procesy cieplne zachodzące w jądrze ziemi. Ciepáo Ziemi nagromadzone w jej wnĊtrzu jest ogromne. Do gáĊbokoĞci okoáo 10 km przekracza 50 000 – krotnie iloĞü ciepáa, jaką moĪna uzyskaü ze wszystkich záóĪ paliw tradycyjnych, czyli ropy naftowej, wĊgla i gazu ziemnego oraz z pierwiastków promieniotwórczych wykorzystywanych w energii atomowej. Zachodzący nieustannie proces przepáywu ciepáa od wnĊtrza Ziemi ku powierzchni warstw skorupy, spowodowany strumieniem cieplnym, jest ciągáym Ĩródáem ciepáa dla formacji skalnych, od których z kolei nagrzewa siĊ woda wypeániająca ich wolne przestrzenie – zwana wodą geotermalną. ZagáĊbiając siĊ w gáąb Ziemi, temperatura wzrasta, osiągając w wewnĊtrznym jądrze wartoĞü nawet 6200 °C (rys. 4.1.). Km: 0 – 100 100 – 2900 2900 – 5100 5100 – 6300 ok. 1000 °C ok. 2800 °C do 6200 °C 12 Rys. 4.1. Budowa wnĊtrza Ziemi ħródáo: [33] Energia geotermalna Ten przyrost temperatury związany ze zmianą gáĊbokoĞci nosi nazwĊ gradientu geotermicznego lub stopnia geotermicznego i jest czynnikiem decydującym o lokalnych wartoĞciach temperatury skaá a tym samym o temperaturze wody wypeániającej pory i szczeliny skalne. Temperatura ziemi bezpoĞrednio w pobliĪu jej powierzchni (do ok. 10 km) zmienia siĊ w przybliĪeniu liniowo wraz z gáĊbokoĞcią i wzrasta Ğrednio o ok. 33 °C na 1 km, tak Īe na gáĊbokoĞci 3 km – wynosi w przybliĪeniu 100 °C. Gradient geotermiczny nie jest taki sam na caáym obszarze Ziemi. W róĪnych rejonach geograficznych naszego globu moĪe on osiągaü znaczne anomalie zarówno dodatnie jak i ujemne w porównaniu z wartoĞcią Ğrednią. Przykáadem anomalii dodatnich są rejony duĪej aktywnoĞci wulkanicznej (gdzie gradient osiąga wartoĞci nawet 60 °C/km), a anomalii ujemnych – strefy wiecznej zmarzliny, gdzie ujemna temperatura siĊga nawet gáĊbokoĞci 1 kilometra. W Polsce Ğrednia wartoĞü gradientu geotermicznego wynosi okoáo 30 °C/km. Szczególnie sprzyjające warunki do powstawania systemów geotermalnych, wystĊpują w obrĊbie krawĊdzi páyt litosfery (rys. 4.2.) w tzw. strefach ryftowych i strefach subdukcji. Rys. 4.2. Dynamika Ziemi ħródáo: [33] 13 Energia geotermalna Strefy ryftowe stanowią miejsca o mniejszych miąĪszoĞciach skorupy i litosfery, do których dopáywa gorąca materia z gáĊbi Ziemi. W strefach subdukcji tworzy siĊ skorupa kontynentalna, dziaáają intensywne procesy tektoniczne powodujące spĊkania. W miejscach tych mamy do czynienia z wulkanizmem i wysokim strumieniem cieplnym. ħródáem ciepáa są tutaj gorące skaáy magmowe, których temperatura osiąga wartoĞci kilkuset stopni Celsjusza, co przyczynia siĊ do wystĊpowania takich zjawisk jak gorące Ĩródáa czy gejzery. Dla istnienia takich zjawisk, prócz gorących skaá wulkanicznych blisko powierzchni, potrzebne są równieĪ wody z opadów zasilające skaáy wodonoĞne, którym to skaáy magmowe oddają swoje ciepáo (rys. 4.3.). Do obszarów bogatych w takie zjawiska naleĪą miĊdzy innymi: Islandia, Nowa Zelandia, Japonia, Filipiny, Indonezja i zachodnie wybrzeĪe Stanów Zjednoczonych – gdzie wystĊpują záoĪa energii geotermalnej o wysokich temperaturach na nieduĪych gáĊbokoĞciach. ZáoĪa tego typu systemów geotermalnych, mają ograniczony zasiĊg i wystĊpują przewaĪnie na obszarach sáabo zamieszkaáych i mniej dostĊpnych. Rys. 4.3. Schemat systemu geotermalnego z dominującym udziaáem pary ħródáo: [33] 14 Energia geotermalna Biorąc pod uwagĊ wykorzystanie energii geotermalnej na potrzeby ludzkoĞci, znaczenia nabierają záoĪa geotermalne w postaci par lub wód, które nadają siĊ do ich praktycznego wykorzystania. To praktyczne wykorzystanie dotyczy wód, które znajdują siĊ na gáĊbokoĞciach umoĪliwiających ich opáacalną ekonomicznie, oraz moĪliwą technicznie eksploatacjĊ. Obecnie uwaĪa siĊ, Īe taka praktyczna eksploatacja, za pomocą otworów wiertniczych, moĪliwa jest dla gáĊbokoĞci wynoszącej do 3 ÷ 4 km. Ze wzglĊdu na charakter noĞnika energii, záoĪa geotermalne dzielimy na: Ɣ záoĪa par geotermalnych – wystĊpujących w obszarach wspóáczesnej lub niedawnej dziaáalnoĞci wulkanicznej, gdzie Ĩródáem ciepáa ogrzewającym wody, która przechodzi w stan pary, są komory i ogniska magmowe zalegające páytko pod powierzchnią terenu (1 ÷ 3 km). Temperatury w záoĪu par na gáĊbokoĞci 1 km przekraczają 150 ÷ 200 °C, Ɣ záoĪa wód geotermalnych – których wystĊpowanie charakteryzuje siĊ znacznie wiĊkszym rozprzestrzenieniem niĪ záoĪa par. Ciepáo ogrzewające wody geotermalne pochodzi gáównie z jądra Ziemi, dlatego ich wystĊpowanie nie ogranicza siĊ jedynie do obszarów wulkanicznych. Temperatura w záoĪach par na gáĊbokoĞci 1 km jest oczywiĞcie niĪsza od 150 °C, ale záoĪa te są áatwiejsze w eksploatacji, odbiorze oraz przesyle energii cieplnej. Ocenia siĊ, Īe okoáo 70 krajów dysponuje zasobami wód geotermalnych, które mogą byü wykorzystywane w sposób ekonomicznie opáacalny. Na terenie Polski záoĪa par geotermalnych nie wystĊpują, są natomiast znaczne zasoby wód geotermalnych wystĊpujących w basenach sedymentacyjnych i strukturalnych, które w wielu miejscach charakteryzują siĊ odpowiednimi warunkami do ich ekonomicznego wykorzystania. Ocena moĪliwoĞci wykorzystania energii záóĪ geotermalnych, jest zazwyczaj poprzedzona szczegóáowymi badaniami geosynoptycznymi, które mają na celu oszacowanie tzw. zasobów energii geotermalnej. Caákowite zasoby energii geotermalnej pochodzącej z wnĊtrza Ziemi są ogromne, jednak tylko niewielka ich czĊĞü moĪe byü wykorzystana w celach uĪytkowych, ze wzglĊdu na ograniczenia techniczne i opáacalnoĞü ekonomiczną aktualnych technologii pozyskiwania energii z wnĊtrza Ziemi. Przedstawiając zasoby energii geotermalnej, dokonuje siĊ pewnego ich podziaáu ze wzglĊdu na sposób pozyskiwania tej energii, oraz podziaáu uwzglĊdniającego ich wartoĞü pod kątem objĊtoĞciowo – energetycznym. 15 Energia geotermalna Biorąc pod uwagĊ sposób pozyskiwania energii geotermalnej, jej zasoby dzieli siĊ na dwa rodzaje [10]: x Zasoby hydrogeotermalne – gdzie noĞnikiem ciepáa są naturalne, wolne wody podziemne, eksploatowane otworami wiertniczymi, x Zasoby petrogeotermalne – czyli energia suchych skaá, lub skaá wysadów solnych, które pozyskuje siĊ przez wprowadzenie wody otworami wiertniczymi do gorących formacji skalnych. Drugi podziaá objĊtoĞciowo – energetyczny, zasobów geotermalnych obejmuje [10], [22]: x Caákowite zasoby geotermalne – caákowita iloĞü ciepáa nagromadzonego w skorupie ziemskiej do pewnej gáĊbokoĞci (zwykle do 10 km), odniesiona do Ğredniej temperatury rocznej na powierzchni terenu. Caákowite zasoby obejmują zarówno zasoby hydrogeotermalne jak i pertogeotermalne, x DostĊpne zasoby geotermalne – czĊĞü zasobów caákowitych udostĊpnionych wierceniami. Ten typ zasobów przyjĊto obliczaü do gáĊbokoĞci maksymalnie 7 km, oraz dwóch gáĊbokoĞci poĞrednich, w zaleĪnoĞci od wystĊpowania piĊter hydrogeologicznych (np. 3 i 5 km), x Statyczne (potencjalne) zasoby geotermalne – caákowita objĊtoĞü wody wolnej lub iloĞü energii w niej zawartej, wystĊpującej w porach i szczelinach skalnych danego zbiornika geotermalnego, moĪliwa technologicznie do wyprowadzenia otworami wiertniczymi na powierzchniĊ Ziemi, x Dynamiczne zasoby geotermalne – objĊtoĞü wody przepáywającej przez przekrój poprzeczny poziomu wodonoĞnego w jednostce czasu lub naturalny drenaĪ wód wzdáuĪ profilu struktury, x Dyspozycyjne zasoby geotermalne – zasoby wszystkich warstw wodonoĞnych, wystĊpujących w skali regionalnej. Są to zasoby moĪliwe do gospodarczego wykorzystania w okreĞlonym czasie, których pobór nie wpáynie na iloĞü i jakoĞü ogólnych, staáych zasobów wody podziemnej, x Zasoby eksploatacyjne – udokumentowana czĊĞü zasobów geologicznych, definiowana przez iloĞü wody moĪliwą do wydobycia ze záoĪa w sposób racjonalny i ekonomicznie uzasadniony, w warunkach okreĞlonego reĪimu eksploatacji. Praktycznie zasoby eksploatacyjne obejmują wody o minimalnej temperaturze 50 °C, siĊgające do gáĊbokoĞci okoáo 3000 metrów. 16 Energia geotermalna Traktując wody podziemne jako naturalne Ĩródáo energii, najwaĪniejszą sprawą jest ocena iloĞci tej energii, która w przyszáoĞci moĪe byü wykorzystana. NajproĞciej iloĞü energii cieplnej zakumulowanej w wodach geotermalnych moĪna oszacowaü mnoĪąc objĊtoĞü wód przez róĪnicĊ ǻT pomiĊdzy temperaturą záoĪową TZ i temperaturą koĔcową TK. Dokonując szacunków iloĞci zasobów energii geotermalnej, jako temperaturĊ koĔcową TK przyjmuje siĊ zazwyczaj temperaturĊ równą 20 °C, lub odnosi siĊ do Ğredniej temperatury powietrza [26_e]. IloĞü ciepáa zakumulowanego w wodach wystĊpujących na powierzchni 1km2, wokóá otworu wykonanego lub projektowanego, moĪna oszacowaü na podstawie poniĪszego wzoru [26_e]: n q ¦ m i h i ( Tzi - Tk ) (4.1) 1 gdzie: q – iloĞü ciepáa zawartego w wodach wystĊpujących w n – warstwach [Mcal/m2], m – wspóáczynnik porowatoĞci, h – miąĪszoĞü warstwy [m], TZ – temperatura záoĪowa [°C], TK – temperatura koĔcowa wód zuĪytych [°C], n – liczba warstw. 4.2. Sposoby pozyskiwania energii geotermicznej W zaleĪnoĞci od miejsca wydobywania i przetwarzania energii geotermicznej na inne rodzaje energii, moĪna dokonaü podziaáu na: 1. Technologie przetwarzania energii geotermicznej bezpoĞrednio w ziemi tj: - geotermoelektryczne – uzyskiwanie energii elektrycznej za pomocą póáprzewodnikowych ogniw termoelektrycznych, umieszczonych bezpoĞrednio w magmie lub wysokotemperaturowym páynie, - geotermochemiczne – prowadzenie procesów chemicznych takich jak: polimeryzacja czy fermentacja za pomocą specjalnych reaktorów umieszczonych w gorących páynach, 17 Energia geotermalna - geotermomineralne – polegające na wytworzeniu poĪądanych záóĪ w wyniku procesu krystalizacji poprzez wprowadzanie do záoĪa odpowiednich reagentów. 2. Technologie wykorzystania energii geotermicznej polegające na jej przetworzeniu juĪ na powierzchni ziemi, na energiĊ cieplną, elektryczną lub wykorzystane w innych procesach technologicznych za pomocą odpowiedniego noĞnika ciepáa, którym moĪe byü: - woda geotermalna, - przegrzana woda geotermalna w postaci pary, - gorące suche skaáy. Biorąc pod uwagĊ technologie przetwarzania energii geotermicznej wymienione w punkcie 1., naleĪy je traktowaü raczej jako przyszáoĞciowe, bowiem obecnie są to procesy o jeszcze stosunkowo maáym rozeznaniu. Technologie wymienione w punkcie 2., naleĪy zaliczyü do technologii wykorzystania i przetwarzania energii geotermalnej a wiĊc czĊĞci energii geotermicznej zawartej w wodzie, parze wodnej, oraz gorących suchych skaáach. Technologie przetwarzania energii geotermalnej, biorąc pod uwagĊ aktualny stan techniki, są moĪliwe do przeprowadzenia, jednak o ich praktycznym wykorzystaniu, decydują zasoby energii geotermalnej na danym obszarze, parametry tych zasobów, ale przede wszystkim zapotrzebowanie na ten rodzaj energii i opáacalnoĞü ekonomiczna takich inwestycji. Systemy pozyskiwania energii geotermalnej sáuĪące do jej wydobywania z wnĊtrza Ziemi na jej powierzchniĊ, obejmują najczĊĞciej nastĊpujące elementy [10]: x znajdujący siĊ na okreĞlonej gáĊbokoĞci górotwór, z naturalnie lub sztucznie wytworzonymi strukturami otwartych porów, wydrąĪeĔ, szczelin i pĊkniĊü o okreĞlonej przepuszczalnoĞci, speániający funkcjĊ skalnego wymiennika ciepáa, x kanaáy áączące roboczy poziom skalnych wymienników ciepáa z powierzchnią Ziemi, x ruchomy páynny noĞnik ciepáa (woda), x naziemny zespóá urządzeĔ technicznych do przetwarzania i wykorzystania energii geotermalnej. 18 Energia geotermalna Systemy eksploatacji energii geotermalnej (rys. 4.4. a ÷ g), ze wzglĊdu na rodzaj záoĪa, jego poáoĪenie i parametry moĪemy podzieliü na [10]: a.) jednootworowy system eksploatacyjny z samoczynnym wypáywem sáabo zmineralizowanej wody geotermalnej i ciĞnieniu artezyjskim, b.) jednootworowy system eksploatacyjny sáabo zmineralizowanej wody geotermalnej z poziomu wodonoĞnego o ciĞnieniu subartezyjskim, z wykorzystaniem pompy gáĊbinowej PG , Zespóá urządzeĔ wydobywczo eksploatacyjnych Rys. 4.4. a.) b.) PG Strop Warstwa wodonoĞna Spąg c.) Jednootworowy otwarty system eksploatacyjny sáabo zmineralizowanych wód geotermalnych, z wykorzystaniem pomp gáĊbinowych, ze sztucznie podwyĪszoną przepuszczalnoĞcią záoĪa w pobliĪu otworu wydobywczego, d.) jednootworowy z zastosowaniem system eksploatacyjny wymiennika ciepáa záoĪa zanurzonego geotermalnego w warstwie zmineralizowanej wody geotermalnej. Czynnikiem obiegowym moĪe byü woda cyrkulująca w oddzielnym obiegu z odpowiednimi odbiornikami ciepáa, e.) jednootworowy system wydobywczo – zatáaczający stosowany w przypadku zmineralizowanych wód geotermalnych; woda geotermalna pobierana jest ze záoĪa poáoĪonego niĪej i zatáaczana jest do záoĪa poáoĪonego wyĪej, 19 Energia geotermalna c.) d.) PG f.) dwuotworowy system zamkniĊty z otworami wydobywczym i zatáaczającym, z wymuszoną cyrkulacją, stosowany w przypadku zmineralizowanych wód geotermalnych, g.) dwuotworowy system wykorzystania energii geotermalnej gorących skaá na duĪych gáĊbokoĞciach ze sztucznie wytworzoną przepuszczalnoĞcią w wyniku eksplozji áadunków wybuchowych duĪej mocy. Odbieranie ciepáa od gorących (zeszczelinowanych) skaá odbywa siĊ w wyniku wymuszonej cyrkulacji wody. W przypadku temperatury skaá znacznie przewyĪszających temperaturĊ 100 °C, cyrkulująca w gorącym záoĪu woda zmienia siĊ w parĊ wodną. e.) f.) 20 Energia geotermalna g.) O wyborze jednego z w/w systemów pozyskiwania energii geotermalnej decydują: rodzaj záoĪa, poáoĪenie oraz stopieĔ mineralizacji – w przypadku záóĪ wód geotermalnych. Technologie pozyskiwania energii geotermalnej z gorących suchych skaá na obecnym etapie mają raczej charakter badawczy i doĞwiadczalny, a z racji koniecznoĞci wykonywania kosztownych zabiegów w odwiertach są bardzo drogie, wiĊc w najbliĪszych latach nie naleĪy powaĪnie rozpatrywaü ich zastosowania. Inaczej jest natomiast w przypadku technologii wykorzystania záóĪ wód geotermalnych, które to obecnie znalazáy zastosowanie w kilkudziesiĊciu paĔstwach na Ğwiecie. Polska równieĪ posiada bogate zasoby wód geotermalnych o niskiej i Ğredniej entalpii, które w wielu rejonach naszego kraju mogą stanowiü lokalne czyste Ĩródáo energii, moĪliwe do wykorzystania w ekonomicznie opáacalny sposób. W dalszej czĊĞci pracy przedstawiono moĪliwoĞci wykorzystania przypowierzchniowej energii geotermicznej (ciepáa gruntu i wody gruntowej), oraz wgáĊbnej energii Ziemi w postaci wód geotermalnych. 4.3. Charakterystyka wód geotermalnych Wody geotermalne – są to wody wystĊpujące w gáĊbi Ziemi, wypeániające przestrzenie porowe lub szczelinowe skaá przepuszczalnych, od których odbierają ciepáo. Umownie moĪna stwierdziü, Īe wody geotermalne są wodami, które mogą 21 Energia geotermalna byü wykorzystane do produkcji ciepáa, a wiĊc takie, które po wydobyciu na powierzchniĊ Ziemi mają temperaturĊ wyĪszą od 20 °C. Wody geotermalne w zaleĪnoĞci od temperatury dzieli siĊ na [26_c]: x wody ciepáe (niskotemperaturowe) – 20 ÷ 35 °C, x wody gorące (Ğredniotemperaturowe) – 35 ÷ 80 °C, x wody bardzo gorące (wysokotemperaturowe) – 80 ÷ 100 °C, x wody przegrzane (bardzowysokotemperaturowe) – powyĪej 100 °C. Woda geotermalna wypáywająca na powierzchniĊ Ziemi ma temperaturĊ niĪszą od temperatury w záoĪu, czego przyczyną jest jej wycháadzanie w przypowierzchniowych warstwach Ziemi. Zmiana temperatury wody związana z gáĊbokoĞcią jej wystĊpowania, uzaleĪniona jest od gradientu geotermicznego, co przedstawiono na rysunku 4.5. Temperatura wody geotermalnej na danej gáĊbokoĞci okreĞlona jest za pomocą nastĊpującej zaleĪnoĞci: T TĝR B H [qC] (4.2.) gdzie: H – gáĊbokoĞü [km], B – gradient geotermiczny [°C/km], TĝR – Ğrednia temperatura gruntu na powierzchni Ziemi [°C] Rys. 4.5. Ilustracja zmian temperatury wód podziemnych ze zmianą gáĊbokoĞci ħródáo:[10] 22 Energia geotermalna Wody geotermalne nagromadzone w gáĊbi Ziemi wystĊpują na obszarach tzw. záóĪ geotermalnych, – czyli naturalnych nagromadzeĔ wód w wydrąĪeniach, szczelinach, pĊkniĊciach lub porach skaá przepuszczalnych, otoczonych skaáami nieprzepuszczalnymi, wystĊpujących na gáĊbokoĞciach umoĪliwiających ich opáacalną eksploatacjĊ. W záoĪu geotermalnym, przepáywający przez warstwĊ przepuszczalną páyn (woda), przejmuje energiĊ na sposób ciepáa od przepuszczalnego záoĪa, które to z kolei odbiera ciepáo od nieprzepuszczalnego masywu skalnego o wysokiej temperaturze. ZáoĪe przepuszczalne dla przepáywającej wody moĪna traktowaü jako swego rodzaju wymiennik ciepáa, w którym iloĞü przekazywanej energii na sposób ciepáa, zaleĪy miĊdzy innymi od porowatoĞci, miąĪszoĞci i intensywnoĞci przepáywu páynu w samym záoĪu, oraz od warunków termicznych skaá nieprzepuszczalnych otaczających to záoĪe [10]. Naturalne záoĪa wód geotermalnych, w zaleĪnoĞci od warunków wytwarzania siĊ przestrzeni przepuszczalnych, mogą przyjmowaü róĪne formy pod wzglĊdem usytuowania, zalegania i miąĪszoĞci, co pokazano na rysunku 4.6. b.) d.) Rys. 4.6. NajczĊstsze przypadki naturalnych záóĪ geotermalnych: a.– dwie warstwy przepuszczalne (wodonoĞne) miĊdzy warstwami nieprzepuszczalnymi, b.– zaklĊĞniĊcie warstwy przepuszczalnej, c.– warstwy przepuszczalne o obrĊbie uskoków tektonicznych, d.– soczewki skaá przepuszczalnych PoáoĪenie záoĪa wód geotermalnych ma istotny wpáyw na moĪliwoĞci jego eksploatacji, bowiem jest ona opáacalna, jeĪeli w pobliĪu istnieją potencjalni odbiorcy ciepáa. Obszary wystĊpowania záóĪ wód geotermalnych moĪna podzieliü na nastĊpujące formacje[10], [26_c]: x Zbiornik geotermalny – jest to zespóá skaá porowatych i przepuszczalnych wypeániony wodami lub parami o mineralizacji umoĪliwiającej ich 23 Energia geotermalna praktyczne wykorzystanie, ograniczony warstwami nieprzepuszczalnymi od góry (stropem) i od doáu (spągiem), x Basen geotermalny – jest zespoáem zbiorników geotermalnych typu warstwowego, uáoĪonych przewaĪnie jeden na drugim, o ksztaátach zbliĪonych do niecek, x Subbasen geotermalny – jest czĊĞcią basenu geotermalnego tworzącego odrĊbny zespóá obniĪeĔ strukturalnych, ograniczony od innych subbasenów strukturami utrudniającymi przepáyw wód pomiĊdzy poszczególnymi subbasenami, x Niecka geotermalna – obniĪona strukturalnie czĊĞü basenu lub subbasenu, otoczona strukturalnymi podniesieniami utrudniającymi przemieszczanie siĊ wód, x Region geotermalny – jest to obszar usytuowany przewaĪnie miĊdzy basenami, zawierający zbiorniki wód geotermalnych typu szczelinowego, lub maáe zbiorniki typu warstwowego, x Prowincja geotermalna – jest to zespóá basenów uáoĪonych nad sobą lub obok siebie, zbudowanych z wystĊpujących na przemian skaá zbiornikowych i uszczelniających. Prowincja posiada jednolity system hydrodynamiczny, ale kaĪdy basen, subbasen czy niecka zachowują swoją specyfikĊ. Zasadniczymi parametrami charakteryzującymi dane záoĪe wód geotermalnych, decydującymi równoczeĞnie o sposobie eksploatacji tego záoĪa jak równieĪ o kosztach pozyskiwania i wykorzystania energii geotermalnej są: x temperatura wody na wypáywie [°C], x mineralizacja wody (stopieĔ zasolenia) [g/dm3], - sáabo zmineralizowane 1 ÷ 3 [g/dm3], - Ğrednio zmineralizowane 3 ÷10 [g/dm3], - silnie zmineralizowane 10 ÷ 35 [g/dm3], - solanki – powyĪej 35 [g/dm3], x wydajnoĞü wypáywu [m3/h], x ciĞnienie wypáywu [Pa], - artezyjskie (samowypáyw), - subartezyjskie, x miąĪszoĞü skaá wodonoĞnych [m], x gáĊbokoĞü stropu zbiornika wodonoĞnego [km], 24 Energia geotermalna x przepuszczalnoĞü, x filtracja [m/s] 4.4. Dziedziny wykorzystania energii geotermalnej BezpoĞrednie wykorzystanie energii wód geotermalnych w gospodarce obejmuje bardzo szeroki zakres zastosowaĔ praktycznych (rys.4.7.). Zasadniczym parametrem decydującym o moĪliwoĞci wykorzystania ciepáa wód geotermalnych w konkretnej dziedzinie gospodarki jest temperatura wody na wypáywie. RóĪnorodnoĞü zastosowaĔ noĞnika ciepáa geotermalnego w zaleĪnoĞci od jego temperatury przedstawiono na diagramie Lindal’a (rys.4.8.). Diagram Lindal’a wskazuje na ogromną liczbĊ zastosowaĔ geotermi w realizacji róĪnych procesów, które znalazáy praktyczne zastosowanie w wielu krajach i zostaáy uznane za ekonomicznie opáacalne. Dziedziny wykorzystania geotermii 35% Ogrzew anie 34% Udziaá procentowy 30% Balneologia 14% 25% Szklarnie 14% 20% Pompy ciepáa 13% Chodow la ryb 12% 15% Przemysá 9% 10% Inne 2% Suszarnie 1% 5% Odladzanie 1% 0% 1 Rys. 4.7. Wykres uporządkowany struktury wykorzystania energii geotermalnej na Ğwiecie ħródáo: [33] W polskich warunkach wystĊpowania záóĪ wód geotermalnych o temperaturze praktycznie nie przekraczającej 90 °C, geotermia moĪe byü wykorzystana w mniejszej liczbie procesów (obszar zakreskowany na diagramie Lindal’a), nie mniej jednak jest to równieĪ szeroki zakres zastosowaĔ. 25 Energia geotermalna Najprostszym a zarazem najbardziej efektywnym sposobem wykorzystania energii wód geotermalnych jest jej bezpoĞrednie zagospodarowanie do celów grzejnych, na przykáad w: x gospodarce komunalnej (ogrzewanie pomieszczeĔ i przygotowanie ciepáej wody uĪytkowej), x rolnictwie (agrotermia, suszenie páodów rolnych, hodowla, ogrzewanie szklarni), x rekreacji (ogrzewanie wody w basenach), x przemyĞle (niskotemperaturowa woda technologiczna). Woda Para wodna °C 200 Konwencjonalna produkcja energii elektrycznej 190 Procesy przy produkcji papieru 180 Odparowanie wysoko skoncentrowanych roztworów 170 Produkcja ciĊĪkiej wody, suszenie wodorostów 160 Suszenie mączki rybnej , suszenie drewna budowlanego 150 Produkcja aluminium w procesie Bayer'a 140 Suszenie produktów rolniczych, produkcja rolnicza i przemysáowa 130 Rafinacja cukru, odzysk soli przez parowanie, konserwacja poĪywienia 120 Produkcja wody pitnej przez destylacjĊ, koncentracja roztworów solnych 110 Suszenie lekkich struktur betonowych 100 Suszenie jarzyn, mycie i suszenie weány 90 Suszenie ryb, intensywne rozmraĪanie, ogrzewanie mieszkaĔ 80 Ogrzewanie szklarni 70 Przygotowanie c.w.u., przemysá spoĪywczy, miĊsny, owocowo - warzywny 60 Hodowla zwierząt, ogrzewanie szklarni 50 Uprawa grzybów, belneologia, hydroterapia, rozkáad biomasy 40 Suszenie gleby, ogrzewanie podáogowe, baseny kąpielowe 30 WylĊgarnie i hodowla ryb, odladzanie, biodegradacja, ogrzewanie gleby 20 Hodowla ryb Rys. 4.8. Diagram Lindal'a wykorzystania energii geotermalnej z zaznaczoną strefą na warunki polskie ħródáo: [10], z uzupeánieniem wáasnym Biorąc pod uwagĊ opáacalnoĞü ekonomiczną przedsiĊwziĊü geotermalnych najkorzystniejszym wykorzystaniem energii wód geotermalnych jest tzw. system 26 Energia geotermalna kaskadowy. System kaskadowy jest ukáadem záoĪonym z kolejno wystĊpujących po sobie odbiorców ciepáa w kolejnoĞci malejącego zapotrzebowania na temperaturĊ medium grzewczego. Taki system wykorzystania ciepáa pozwala na poprawienie rentownoĞci przedsiĊwziĊcia geotermalnego i skrócenie czasu zwrotu nakáadów inwestycyjnych, pozwala bowiem na optymalne odebranie ciepáa od záoĪa geotermalnego. System kaskadowy obejmuje nastĊpujące przedziaáy temperaturowe odbioru ciepáa[20]: x przedziaá I – obejmuje zakres temperaturowy poniĪej 20°C, x przedziaá II – zakres temperaturowy od 20°C do 45°C, x przedziaá III – zakres temperaturowy od 45°C do 65°C, x przedziaá IV – zakres temperaturowy od 65°C do 90°C, x przedziaá V – obejmuje zakres temperaturowy powyĪej 90°C Na rysunku 4.9. przedstawiono przykáadowy system ciepáowniczy, w którym zgodnie z ideą kaskadowego wykorzystania ciepáa, instalacja ciepáownicza zostaáa podzielona na poszczególne etapy wykorzystania ciepáa, o parametrach dostosowanych do zapotrzebowaĔ poszczególnych odbiorców. Woda geotermalna po wydobyciu na powierzchniĊ otworem eksploatacyjnym i oddaniu ciepáa wodzie obiegu technologicznego w wymienniku ciepáa, jest z powrotem wprowadzana do záoĪa otworem zatáaczającym. KrąĪąca w obiegu technologicznym woda sieciowa, kierowana jest najpierw do odbiorców o najwiĊkszym zapotrzebowaniu na ciepáo. Po oddaniu swojej energii woda sieciowa kierowana jest kolejno do nastĊpnych odbiorców, o coraz niĪszych wymaganiach cieplnych. Odpowiednie usytuowanie „stopni” kaskady w obrĊbie sieci ciepáowniczej, o zróĪnicowanym zapotrzebowaniu na temperaturĊ wody w róĪnych procesach, pozwala na optymalne wykorzystanie ciepáa zawartego w wodzie geotermalnej. Zastosowanie w najniĪszym stopniu kaskady, sprĊĪarkowej pompy ciepáa umoĪliwia wykorzystanie wody o temperaturze mniejszej od 20 °C , jako dolnego Ĩródáa ciepáa dla tej pompy i ponowne jej wykorzystanie. Woda sieciowa po oddaniu ciepáa w caáym obiegu kaskady, posiada juĪ odpowiednio niską temperaturĊ i jest kierowana na wymiennik ciepáa, gdzie ponownie siĊ ogrzewa od wody geotermalnej i caáy cykl obiegu wody w sieci powtarza siĊ. 27 Energia geotermalna ok.100°C Suszenie materiaáów organicznych 80 do 90°C II Ogrzewanie mieszkaĔ 55 do 65°C Wymiennik ciepáa ok.30°C Ogrzewanie szklarni 35 do 45°C Ogrzewanie wody w basenach ok. 30°C ok. 105°C I do 20°C 25 do 35°C Przygotowanie wody technologicznej z udziaáem pompy ciepáa OW OZ Rys. 4.9. Przykáad kaskadowego systemu odbioru ciepáa I - obieg wody geotermalnej, II - obieg wody technologicznej OW - otwór wydobywczy, OZ - otwór zatáaczający 4.5. Charakterystyka warunków geotermalnych w Polsce Polska naleĪy do krajów posiadających bogate zasoby wód geotermalnych o niskiej i Ğredniej entalpii. Wody te wystĊpują w przestrzeniach porowych lub szczelinowych skaá osadowych, wchodzących w skáad skorupy ziemskiej. Temperatura i stopieĔ zasolenia wód podziemnych, zaleĪą na ogóá od gáĊbokoĞci zalegania skaá tworzących zbiorniki wód wgáĊbnych, ogrzanych ciepáem z wnĊtrza Ziemi [10]. Potencjaá energetyczny wód wgáĊbnych wystĊpujących na terenie Polski, zostaá opracowany na podstawie danych uzyskanych z gáĊbokich otworów wiertniczych, na przestrzenie wielu lat. Warunki geotermiczne na terenie Polski przedstawiono w [11] S.Plewy, natomiast wystĊpowanie wód geotermalnych w Polsce i potencjalne zasoby zawartej w nich energii, zostaáy szczegóáowo omówione w pracy [22] J. Sokoáowskiego. 28 Energia geotermalna 4.5.1. Zarys warunków geotermicznych Polski Obszar Polski charakteryzuje siĊ zmiennymi parametrami geotermicznymi, ze wzglĊdu na zmienną budowĊ tektoniczną wnĊtrza ziemi. ZróĪnicowanie tych parametrów spowodowane jest wystĊpowaniem na terenie naszego kraju, kilku stref tektonicznych graniczących ze sobą tj.: prekambryjskiej platformy wschodnioeuropejskiej, platformy paleozoicznej oraz oregonu karpackiego [11]. Zmienna budowa geotektoniczna, powoduje zmiany gĊstoĞci strumienia cieplnego, które to na obszarze Polski przedstawiono na rys. 4.10. Uproszczoną analizĊ zmian gĊstoĞci strumienia cieplnego, oraz gradientu geotermicznego na terenia Polski zestawiono w tab. 4.1. Tab. 4.1. Podstawowe parametry geotermiczne w Polsce. Formacja geotektoniczna Platforma prekambryjska Platforma paleozoiczna Strefa Teisseyre’a – Tornquista StrumieĔ cieplny [mW/m2] Gradient geotermiczny [°C/100m] 2,38 ÷52 1,96 ÷ Ğrednio 62,4 ÷ Ğrednio, do pow. 80 2,35 ÷ Ğrednio 31,1 ÷ 90 2,16 – Ğrednio, do 3,55 ĩródáo: Zestawienie wáasne na podstawie: [11], [18] Rys. 4.10. Mapa zmian gĊstoĞci strumienia cieplnego Ziemi na obszarze Polski. Izolinie strumienia wyraĪone w [mW/m2] ħródáo: [11] 29 Energia geotermalna 4.5.2. Zasoby wód geotermalnych w Polsce Na obszarze Polski zasoby wód geotermalnych wystĊpują w basenach sedymentacyjnych, rozmieszczonych na przestrzeni trzech gáównych prowincji geotermalnych: x Prowincji Ğrodkowoeuropejskiej, x Prowincji przedkarpackiej, x Prowincji karpackiej. Rozmieszczenie tych zasobów na znacznym obszarze kraju jest doĞü równomierne, w poszczególnych prowincjach i okrĊgach geotermalnych (rys. 4.11.). Z danych hydrogeologicznych wynika, Īe ponad 90% zasobów wód wgáĊbnych znajduje siĊ na obszarze NiĪu Polskiego, w polskiej czĊĞci geotermalnej prowincji Ğrodkowoeuropejskiej [10]. Subbasen podhalaęski Rys. 4.11. Prowincje i okrĊgi geotermalne w Polsce ħródáo: [22] 30 Energia geotermalna Potencjalne zasoby wód geotermalnych w Polsce, oszacowane z ich objĊtoĞci i temperatury w poszczególnych jednostkach geostrukturalnych, przedstawiono w tabeli 4.2. Jak widaü zasoby te, wyliczone na ponad 34 mld ton paliwa umownego (ok. 1000 EJ), stanowią ogromny zasób energii. NaleĪy tutaj jednak zaznaczyü, Īe są to zasoby potencjalne, i tylko niewielka ich czĊĞü moĪe byü wykorzystana do celów energetycznych. Ocenia siĊ, Īe tylko (lub aĪ) okoáo 7 mln tpu (200 PJ) zasobów wód geotermalnych na terytorium Polski, jest moĪliwa do wykorzystania pod wzglĊdem ekonomicznym. WartoĞü ta stanowi równowartoĞü zasobów energii dla okoáo 400 instalacji geotermalnych, z których kaĪda produkuje rocznie 500 TJ ciepáa. Analiza záoĪowo – geologiczna wykazaáa, Īe najbardziej korzystne warunki temperaturowe, chemiczne, wielkoĞci dopáywu wód, porowatoĞci i miąĪszoĞci skaá zbiornikowych wykazują kompleksy kredowe i jurajskie w okrĊgach NiĪu Polskiego, prowincji Ğrodkowoeuropejskiej[18]. Poza tym obszarem na szczególną uwagĊ zasáuguje Subbasen podhalaĔski, który wykazuje unikalne w skali kraju warunki geologiczno – záoĪowe, pod wzglĊdem wydajnoĞci, temperatury, mineralizacji i ciĞnienia wód geotermalnych. Tab. 4.2. Potencjalne (statyczne) zasoby wód geotermalnych w Polsce Prowincje i okrĊgi Obszar [tys. km2] Prowincja Ğrodkowoeuropejska w tym: • okrĊg grudziądzko – warszawski • okrĊg szczeciĔsko – áódzki • okrĊg przedsudecko – póánocnoĞwiĊtokrzyski • okrĊg pomorski • okrĊgi lubelski • okrĊg przybaátycki • okrĊg podlaski 222 ObjĊtoĞü Zasoby zbiornika [mln.tpu] 3 [km ] 6225 32 458 Ğr. gĊstoĞü wód [mln.m3/m2] 28 Ğr. gĊstoĞü energii [tys.tpu/km2] 146 70 67 3110 2854 11 942 18812 44 42 170 280 39 12 12 15 7 155 21 30 38 17 995 162 193 241 113 4 1,75 2,5 2,5 2,5 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 ħródáo: [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 siĊ systemy, w których urządzeniem odbierającym ciepáo, jest odpowiedni wymiennik ciepáa [10]. Wymienniki ciepáa są urządzeniami sáuĪącymi do przekazywania ciepáa pomiĊdzy róĪnymi czynnikami (noĞnikami ciepáa), o róĪnych temperaturach. NoĞnikiem ciepáa są zarówno czynniki gazowe, jak i ciekáe. W przemysáowych wymiennikach najczĊĞciej stosuje siĊ takie noĞniki ciepáa jak: gorąca woda i para wodna, ale wykorzystuje siĊ równieĪ spaliny i podgrzane powietrze. Wymienniki ciepáa wystĊpują w róĪnych dziedzinach techniki i czĊsto noszą nazwy okreĞlające ich przeznaczenie np.: cháodnice, skraplacze, wytwornice pary, podgrzewacze, przegrzewacze, parowniki itp. [4], [15]. W wymiennikach ciepáa moĪe wystĊpowaü zarówno ustalona jak i nie ustalona wymiana ciepáa. Ustalona wymiana ciepáa moĪe wystĊpowaü tylko w wymiennikach o dziaáaniu ciągáym. Wymienniki ciepáa o dziaáaniu nieciągáym mogą realizowaü procesy wymiany ciepáa jednorazowo lub okresowo, gdzie wystĊpują tylko nieustalone pola temperatury [15]. Zasadniczym podziaáem wymienników ciepáa jest ich klasyfikacja ze wzglĊdu na zasadĊ dziaáania na: x Przeponowe (rekuperatory) – gdzie oba czynniki, ogrzewający i ogrzewany oddzielone są przegrodą która stanowi powierzchniĊ wymiany ciepáa. Ten typ wymiennika pracuje w sposób ciągáy, a ciepáo jest odbierane od czynnika cieplejszego i przekazywane do czynnika zimniejszego w sposób zazwyczaj ustalony , a temperatury wówczas są ustalone i niezmienne w czasie. x Regeneratory – są to wymienniki które dziaáają w ten sposób Īe, posiadają one powierzchniĊ wymiany ciepáa z materiaáów ceramicznych lub metali (cegáy, blachy, siatki, itp.) do której najpierw wprowadzany jest gorący czynnik od którego odbierane jest ciepáo i akumulowane w tym wypeánieniu, a nastĊpnie wprowadzani jest zimniejszy páyn który z kolei odbiera ciepáo od 32 Charakterystyka elementów i systemów... powierzchni wypeánienia. Takie wymienniki dziaáają w sposób nieciągáy, ruch ciepáa jest nieustalony, a temperatury są zmienne w czasie. x Bezprzeponowe (mieszalniki) – są to wymienniki ciepáa o dziaáaniu bezpoĞrednim, w których wymiana ciepáa odbywa siĊ na zasadzie bezpoĞredniego wymieszania siĊ dwóch noĞników o róĪnych temperaturach, a wiĊc oprócz wymiany ciepáa wystĊpuje w nich równieĪ wymiana substancji. Ruch ciepáa przebiega tutaj w sposób ciągáy i ustalony, a wiĊc temperatury nie zmieniają siĊ w czasie. Inny podziaá wymienników ciepáa dotyczy: x liczby páynów biorących udziaá w wymianie ciepáa – dwuczynnikowe lub wieloczynnikowe, x kierunku ruchu noĞników ciepáa – wspóáprądowy, przeciwprądowy, krzyĪowy, równolegáo – mieszany, krzyĪowo – mieszany, x liczby dróg przepáywu – dwudroĪne, wielodroĪne. W systemach geotermicznych, jak równieĪ w cieplnych instalacjach przemysáowych znajdują zastosowanie rekuperatory czyli przeponowe wymienniki ciepáa, które ze wzglĊdu na miejsce usytuowania w systemie geotermicznym moĪemy podzieliü na: a.) Powierzchniowe: x páytowe, x rurowe, x páaszczowe, b.) Przypowierzchniowe: x páytkie pionowe sondy ciepáa (gáĊbokoĞü zakopania 150 ÷ 200m), x poziome kolektory ziemne (gáĊbokoĞü zakopania okoáo 2 m), c.) GáĊbokogruntowe (geotermalne): x naturalne, - otwory wydobywcze, - otwory zatáaczające, x gáĊbokie pionowe sondy ciepáa (gáĊbokoĞc zakopania powyĪej 2km), - geotermalne wymienniki z elementem Fielda, - geotermalny wymiennik Ğrubowy. 33 Charakterystyka elementów i systemów... 5.2. Podstawy wymiany ciepáa w geotermalnych wymiennikach ciepáa Procesy wymiany ciepáa w systemach geotermalnych, dotyczą przede wszystkim procesów zachodzących pod powierzchnią Ziemi, a wiĊc zagadnieĔ odbierania ciepáa od gruntu bądĨ záóĪ geotermanlych. Czy bĊdzie to páytki kolektor gruntowy, czy gáĊboki otwór wydobywczy wody geotermalnej, zawsze mamy do czynienia z obiegiem w którym noĞnikiem jest páyn lub para, odbierający ciepáo geotermiczne, w celu wykorzystania tego ciepáa na powierzchni Ziemi. Warunki wymiany ciepáa w elementach systemu geotermalnego, takich jak gruntowe wymienniki ciepáa, zwáaszcza w systemach gáĊbokootworowych są bardzo trudne do precyzyjnego okreĞlenia, ze wzglĊdu na swoja záoĪoną istotĊ. ZáoĪonoĞü tych procesów wynika z tego, iĪ pewne wielkoĞci związane z wymianą ciepáa mogą ulegaü zmianie w czasie (temperatura i strumieĔ objĊtoĞciowy czynnika), a inne mogą byü zmienne wraz z gáĊbokoĞcią, ze wzglĊdu na niejednorodnoĞü záoĪa (gĊstoĞü, ciepáo wáaĞciwe, przewodnoĞü cieplna itp.). ZáoĪonoĞü procesów wymiany ciepáa, powoduje Īe są one opisane skomplikowanymi zaleĪnoĞciami matematycznymi, których rozwiązanie w wielu przypadkach moĪliwe jest jedynie za pomocą obliczeĔ numerycznych. Dokáadna prezentacja i szczegóáowe opisywanie zasad wymiany ciepáa w elementach systemu geotermalnego, znacznie wybiega poza zakres i cel niniejszej pracy, dlatego zostanie zaprezentowana tutaj jedynie sama istota wymiany ciepáa, oraz charakterystyki temperaturowe podstawowych gruntowych wymienników ciepáa. NajczĊĞciej geotermalne wymienniki ciepáa są typu „rura w rurze”, czyli do zewnĊtrznej rury wprowadzana jest wewnĊtrzna rura. Wymiennik taki posiada wiĊc dwa kanaáy przepáywu, zewnĊtrzny – pierĞcieniowy oraz wewnĊtrzny – cylindryczny. Czynnikiem przepáywu jest tutaj páyn (woda), który w jednym kanale páynąc oddaje ciepáo, a w drugim je odbiera. Wymiana ciepáa miedzy czynnikami zaleĪy od rozkáadu temperatury páynów wzdáuĪ powierzchni wymiany ciepáa, a rozkáad temperatury zaleĪy od kierunku przepáywu páynów oraz od strumieni pojemnoĞci cieplnych. Wzajemne usytuowanie kierunku przepáywu czynników jest jednym z kryteriów klasyfikacji wymienników ciepáa, a zarazem decyduje o wydajnoĞci cieplnej tego urządzenia. Najprostszym przypadkiem jest równolegáy przepáyw páynów, charakterystyczny dla tzw. wymienników równolegáoprądowych, w którym istnieją dwie moĪliwoĞci: x wspóáprąd – czyli przepáyw obu czynników w tym samym kierunku, 34 Charakterystyka elementów i systemów... x przeciwprąd – czyli przepáyw czynników w kierunkach przeciwnych. Na rysunku 5.1. przedstawiono rozkáad temperatury w obydwu typach wymienników. W przeciwprądowym wymienniku ciepáa wydajnoĞü cieplna (moc) jest wiĊksza niĪ we wspóáprądowym o tej samej powierzchni, moĪna wiĊc czynnik 1 scháodziü lub czynnik 2 podgrzaü w wiĊkszym stopniu. Stosowanie ukáadu przeciwprądowego jest wiĊc czĊstszym przypadkiem, jednakĪe ukáad wspóáprądowy jest równieĪ niekiedy bardzo poĪądany, gdyĪ rozwiązanie to zapewnia bardziej wyrównany rozkáad temperatury przegrody w wymienniku oraz niĪsze wartoĞci maksymalnej temperatury Ğcianki, co jest istotnym czynnikiem konstrukcyjnym. T22 T21 T11 T12 T11 T12 T21 T22 T Tk Tp T12 T11 T22 T2 T2 T22 T21 T12 Tk T1 T11 PRZECIWPRĄD T1 WSPÓàPRĄD Tp T T21 A A Rys. 5.1. Porównanie zmian temperatury páynów we wspóáprądowym i przeciwprądowym wymienniku ciepáa Podstawą wszelkich obliczeĔ wymienników ciepáa są równania wymiany ciepáa oraz bilansu energii: 1.) Równanie wymiany ciepáa (Prawo Pecleta): Q kA'T (5.1) gdzie: Q – wymieniane ciepáo [W], k – wspóáczynniki przenikania ciepáa [W/m2K], A – powierzchnia wymiany ciepáa [m2], 35 Charakterystyka elementów i systemów... ǻT – róĪnica temperatur [K]. 2.) Równania bilansu energii: Q1 mc p1 (T11 T12 ) (5.2) Q2 mc p 2 (T22 T21 ) (5.3) gdzie: Q1 – ciepáo oddane przez czynnik „1” (cieplejszy) [W], Q2 – ciepáo pobrane przez czynnik „2” (zimniejszy) [W], m1 – przepáyw masowy czynnika „1” [kg/s], m2 – przepáyw masowy czynnika „2” [kg/s], cp1 – ciepáo wáaĞciwe czynnika „1” [J/kgK], cp2 – ciepáo wáaĞciwe 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) wystĊpuje róĪnica temperatur ǻT. Ze wzglĊdu na nieliniowy rozkáad temperatury, dla wymienników dwuczynnikowych równolegáoprądowych przyjmuje siĊ Ğrednią logarytmiczną róĪnicĊ temperatur na wlocie i wylocie z wymiennika ǻTĞrlog: 'TĞr log 'T p 'Tk 'T p ln 'Tk (5.4) gdzie: ǻTp – początkowa róĪnica temperatur (na wlocie) [K], ǻTk – koĔcowa róĪnica temperatur (na wylocie) [K]. W przypadku przepáywów mieszanych (nierównolegáoprądowych), jak np. przepáyw krzyĪowy, równieĪ stosuje siĊ wzór (5.4), ale ze wspóáczynnikiem poprawkowym İǻT. 36 Charakterystyka elementów i systemów... 'TĞr log H 'T 'T p 'Tk 'T p ln 'Tk (5.5) İǻT odczytuje siĊ z nomogramów dostĊpnych w literaturze [5]. Aby móc odczytaü wartoĞci İǻT naleĪy najpierw wyznaczyü ǻTĞrlog, jak dla wspóáprądu, oraz wielkoĞci P i R, obliczone ze wzorów: P T22 T21 T11 T21 'T2 'Tmax (5.6) R T11 T12 T22 T21 'T1 'T2 (5.7) Istnieje równieĪ inna metoda do obliczania wymienników o záoĪonym przepáywie czynników, tzw. metoda efektywnoĞci cieplnej. EfektywnoĞü cieplna wymiennika İ jest definiowana jako stosunek aktualnej mocy cieplnej do mocy cieplnej maksymalnej moĪliwej, czyli: H Q Qmax (5.7) Maksymalna moĪliwa wielkoĞü Qmax jest w rekuperatorze ograniczona maksymalną róĪnicą temperatur czynników na wlocie ǻTmax = T11 – T21, czyli: Qmax Wmin (T11 T21 ) (5.8) gdzie: Wmin – mniejsza z pojemnoĞci cieplnych W1 i W2. Rzeczywista moc cieplna wynosi zatem: Q H Qmax H Wmin (T11 T21 ) (5.9) 37 Charakterystyka elementów i systemów... dla W1<W2, (Wmin = W1 i Wmax = W2) H T11 T12 T11 T21 'T1 'Tmax (5.10) 'T2 'Tmax (5.11) dla W1>W2, (Wmin = W2 i Wmax = W1) H T22 T21 T11 T21 W zaleĪnoĞci od İ i stosunku Wmin/Wmax wyznacza siĊ NTU („Number of heat Transfer Units”– liczba jednostek przepáywu ciepáa). NTU kA Wmin (5.12) W wymiennikach páaszczowo – rurowych zaopatrzonych w przegrody zasada przeciwprądu jest równieĪ naruszona, gdyĪ w przestrzeni miĊdzyrurkowej páynie czynnik prostopadle do pĊku rur. Na skutek jednak wiĊkszej iloĞci skrzyĪowaĔ (przegród) wartoĞü İ jest najczĊĞciej tak bliska jednoĞci, Īe moĪna jej wpáyw pominąü. 5.3. Sposoby wykorzystania przypowierzchniowej energii geotermicznej Energia zakumulowana w przypowierzchniowej warstwie gruntu (do gáĊbokoĞci okoáo 10 m) jest wynikiem pocháaniania energii promieniowania sáonecznego oraz wymiany ciepáa z otaczającym powietrzem. WartoĞü energii zgromadzona w tej wierzchniej warstwie gruntu, uzaleĪniona jest od zmian temperatury gruntu. Temperatura gruntu zmienia siĊ wraz z gáĊbokoĞcią w przybliĪeniu sinusoidalnie, z malejącą amplitudą w miarĊ wzrostu gáĊbokoĞci (rys. 5.2.). 38 Charakterystyka elementów i systemów... ǻTzp ǻTzx X Rys. 5.2. Rozkáad zmian temperatury w gruncie Rozkáad temperatury w gruncie moĪna opisaü nastĊpującą zaleĪnoĞcią: 'TZX 'TZP e Z 2kz x · § Z cos¨¨ Zt x ¸¸ 2kz ¹ © (5.13) gdzie: kz 1 - dyfuzyjnoĞü cieplna gruntu [cm2/s] ; przykáadowa wartoĞü wynosi ȡ cz C cz kz § 0,0046 [cm2/s], ȡcz – opornoĞü cieplna wáaĞciwa gruntu [cmK/W], Ccz – pojemnoĞü cieplna wáaĞciwa gruntu [Ws/cm3K], Ȧ = 2ʌf = 2ʌ/IJ, IJ – okres zmian [s], ǻTzp – amplituda zmian temperatury powierzchni gruntu [K], x – gáĊbokoĞü w gruncie [cm], Amplituda zmian temperatury w gruncie wynosi: 'TZXM 'TZP e Z 2kz x (5.14) 39 Charakterystyka elementów i systemów... Natomiast przesuniĊcie w czasie amplitudy zmian temperatury w gruncie na gáĊbokoĞci x w stosunku do amplitudy temperatury na powierzchni ziemi wynosi: 't Z 2 kz x (5.15) Sinusoidalna zmiana temperatury gruntu jest przesuniĊta w stosunku do sinusoidy temperatury powietrza. PrzesuniĊcie w fazie zmian temperatury gruntu, w stosunku do zmian temperatury powietrza, zwiĊksza siĊ wraz ze zmianą gáĊbokoĞci. W miesiącach zimowych temperatura powietrza przy powierzchni gruntu jest niĪsza niĪ w gáĊbi ziemi (rys. 5.3.), co jest zjawiskiem korzystnym z punktu widzenia wykorzystania gruntu jako dolnego Ĩródáa ciepáa dla pomp ciepáa, bowiem zapotrzebowanie ciepáa jest najwiĊksze w sezonie grzewczym a w tym okresie wáaĞnie temperatura gruntu jest relatywnie wysoka w stosunku do temperatury powietrza. [°C] 20 (A) 15 (B) 10 5 0 XII III VI IX XII Miesiąc Rys. 5.3. Przebieg zmian temperatury w ciągu roku: (A) – na powierzchni gruntu , (B) – na gáĊbokoĞci 2,5 m 40 Charakterystyka elementów i systemów... Wykorzystanie przypowierzchniowego ciepáa ziemi, w bezpoĞredni sposób do celów grzewczych poprzez przekazanie energii geotermicznej noĞnikowi w sondzie ciepáa, nie jest moĪliwe ze wzglĊdu na zbyt niskie temperatury panujące w przypowierzchniowej warstwie gruntu, siĊgające okoáo 5 ÷ 15°C. W celu wiĊc wykorzystania przypowierzchniowego ciepáa ziemi do celów grzewczych, niezbĊdne jest zastosowanie dodatkowego urządzenia jakim jest pompa ciepáa, która umoĪliwia uzyskanie odpowiednio wysokiej temperatury wody zasilającej instalacjĊ. Obecnie stosowane systemy ogrzewania niskotemperaturowego w obiekcie budowlanym, wymagają aby temperatura na dopáywie wynosiáa co najmniej 35°C, w przypadku ogrzewania podáogowego, a przy innych rodzajach ogrzewania co najmniej 60 ÷ 70°C, w zaleĪnoĞci od stanu izolacji ogrzewanych budynków. W związku z tym dla zapewnienia wáaĞciwych temperatur wody na dopáywie do instalacji grzejnych, najodpowiedniejsze wydaje siĊ zastosowanie sprĊĪarkowych lub sorpcyjnych pomp ciepáa [10]. Zasadniczymi elementami systemów przypowierzchniowego wykorzystania ciepáa gruntu są – wymienniki ciepáa sáuĪące do odbioru ciepáa z gruntu w postaci poziomych kolektorów ziemnych lub pionowych sond ciepáa, oraz pompy ciepáa umoĪliwiające uzyskanie odpowiedniej temperatury na zasilaniu instalacji grzewczej. Kolektory ziemne wykonuje siĊ zazwyczaj w postaci rur z tworzyw sztucznych (polietylen, polibutylen, polipropylen), o Ğrednicy do 2,5Ǝ i gruboĞci 2,5 ÷ 3mm, uáoĪonych poniĪej gáĊbokoĞci przemarzania gruntu (ok. 1,5m). Rury mogą byü rozmieszczone w róĪnych konfiguracjach (rys. 5.4.), a wewnątrz nich páynie czynnik obiegowy, odbierający ciepáo gruntu. Jako czynnik obiegowy stosuje siĊ wodĊ z dodatkiem Ğrodka przeciwzamarzającego (25 ÷ 30%), solankĊ lub w przypadku bezpoĞredniego odparowania – czynnik cháodniczy. Zaletą tego typu wymiennika jest áatwoĞü jego wykonania i wzglĊdnie niski koszt. Wadą jest koniecznoĞü dysponowania doĞü duĪą powierzchnią gruntu w którym ma byü umieszczony wymiennik oraz podatnoĞü na zmiany temperatury zewnĊtrznej, co przy dáuĪszym okresie niskich temperatur powietrza moĪe spowodowaü spadek efektywnoĞci pompy ciepáa. 41 Charakterystyka elementów i systemów... Rys.5.4. Ukáady poáączeĔ rur w poziomych gruntowych wymiennikach ciepáa: a) i b) – wĊĪownicowy, c) – pĊtlicowy, d) równolegáy ħródáo: [10] Przykáadowe rozwiązania kolektora poziomego wspóápracującego z pompą ciepáa do ogrzewania domku jednorodzinnego pokazano na rysunkach 5.5. a) c) b) Rys. 5.5. Kolektor ziemny w konfiguracji: a) szeregowej, b) podwójno – szeregowej, c) podwójno – szeregowo – równolegáej ħródáo [10] Gruntowe sondy pionowe podobne są do wymienników poziomych, jednak w tym przypadku rury są umieszczane pionowo w gruncie w otworach do gáĊbokoĞci okoáo 100 ÷ 200 metrów. ĝrednica rur wynosi okoáo 1,5Ǝ i wewnątrz páynie równieĪ 42 Charakterystyka elementów i systemów... ciecz niezamarzająca. Zaletą tego wymiennika jest maáa podatnoĞü na zmiany temperatury zewnĊtrznej, maáa powierzchnia gruntu potrzebna do wykonania wymiennika oraz dwukrotnie lepsza skutecznoĞü wymiennika niĪ wymiennika poziomego. Wadą jest stosunkowo wysoki koszt wykonania wymiennika. NajczĊĞciej stosowanymi rozwiązaniami sond pionowych są ukáady przedstawione na rysunku 5.6., które obejmują [10]: x prostą sondĊ typu U, x ukáad z przepáywem przeciwbieĪnym, x ukáad z przepáywem koncentrycznym. Rys. 5.6. Schematy podstawowych rozwiązaĔ gruntowych sond pionowych: a) typ U, b) z przepáywem przeciwbieĪnym, c) z przepáywem wspóábieĪnym ħródáo: [10] Sondy pionowe w zaleĪnoĞci od zapotrzebowania na ciepáo mogą wystĊpowaü jako pojedyncze, lub teĪ pracowaü (w przypadku wiĊkszego zapotrzebowania na ciepáo) w ukáadach áączonych – szeregowych lub równolegáych. Przykáadowe rozwiązania pionowych sond gruntowych wspóápracujących z pompą ciepáa do ogrzewania domku jednorodzinnego w konfiguracji szeregowej i równolegáej pokazano na rysunku 5.7. W przypadku áączenia sond korzystniejsze jest rozwiązanie áączenia równolegáego. 43 Charakterystyka elementów i systemów... a) b) Rys. 5.7. Pionowa gruntowa sonda ciepáa w konfiguracji: a) szeregowej, b) równolegáej ħródáo; [10] Rysunek 5.8. przedstawia ukáad systemu grzejnego obejmującego pompĊ ciepáa oraz sondĊ umieszczoną w pionowym otworze. Sonda ciepáa w postaci rury wspóáĞrodkowej umieszczona jest w otworze o odpowiedniej Ğrednicy i gáĊbokoĞci. Sonda posiada dwa kanaáy przepáywu. ZewnĊtrznym pierĞcieniowym kanaáem wprowadzana jest cháodna ciecz, która po odebraniu ciepáa wraca na powierzchniĊ kanaáem wewnĊtrznym. Doprowadzona ciecz do pompy ciepáa zostaje dalej przekazana do instalacji ogrzewania podáogowego. Rys. 5.8. Schemat ukáadu ogrzewania podáogowego z pompą ciepáa ħródáo: [10] 44 Charakterystyka elementów i systemów... Przypowierzchniowe instalacje geotermiczne pracują w ukáadzie zamkniĊtym, czyli w takim gdzie pobieranie energii realizowane jest przez noĞnik ciepáa przepáywający w sondzie ziemnej a oddawanie energii odbywa siĊ na powierzchni ziemi. Przykáady zamkniĊtych instalacji geotermicznych zestawiono w tabeli 5.1. Tab. 5.1. Sposoby wykorzystania przypowierzchniowej energii geotermicznej GáĊbokoĞü NoĞnik zakopania [m] ciepáa Kolektory ziemne 1,2 – 2,0 Solanka Sonda ziemna – wbijana 8 – 25 Solanka Sonda ziemna – w odwiercie 20 – 100 Solanka Idealna w skaáach litych Czynnik Materiaá – miedĨ, duĪa iloĞü cháodniczy czynnika cháodniczego Nazwa Sonda ziemna – bezpoĞrednie 1,5 – 50 odparowanie w sondzie Uwagi Wpáyw klimatu i pór roku, duĪa powierzchnia Materiaá – stal, tylko w gruntach piaskowych i Īwirowych ħródáo: [10] GĊstoĞü strumienia ciepáa przejmowanego przez gruntowy wymiennik ciepáa (kolektor lub sondĊ pionową) zaleĪy przede wszystkim od rodzaju i struktury gruntu (Īwir, glina, piasek) oraz od jego wilgotnoĞci. Przyjmuje siĊ Īe w glebach wilgotnych , gĊstoĞü pobieranego strumienia ciepáa wynosi q = 40 ÷ 50 W/m2, a w gruntach suchych q = 10 ÷ 30 W/m2 [10]. NiejednorodnoĞü gruntu powoduje iĪ mamy do czynienia z nieustalonymi warunkami wymiany ciepáa, wiĊc obliczenia cieplne są doĞü záoĪone a wyniki tych obliczeĔ niepewne. Obliczenia cieplne w przypadku kolektorów gruntowych dotyczą okreĞlenia áącznej dáugoĞci rur potrzebnych do uzyskania odpowiedniej mocy cieplnej, wykorzystując strumieĔ ciepáa pobierany z gruntu Q0. Liniową gĊstoĞü strumienia ciepáa pobieranego z gruntu i przekazywanego do kolektora poziomego okreĞla wzór: QL Q0 L 'T [W/m] R p Rg (5.13) gdzie: ǻT = T0 – T – róĪnica temperatur pomiĊdzy temperaturą gruntu (w znacznej odlegáoĞci od kolektora) i temperaturą czynnika na wyjĞciu z kolektora [K], 45 Charakterystyka elementów i systemów... Rp – jednostkowy opór wnikania i przewodzenia ciepáa w rurze kolektora [mK/W], Rg – jednostkowy obliczeniowy opór cieplny gruntu [mK/W]. W wyniku Q0 Qg przeksztaácenia zaleĪnoĞci (5.13.), oraz wykorzystaniu Īe H p 1 , moĪna okreĞliü dáugoĞü kolektora ze wzoru: Hp L Qg H p 1 R p Rg [m] Hp 'T (5.14) PoniewaĪ pompa ciepáa pracuje okresowo, naleĪy to uwzglĊdniü poprzez wprowadzenie wspóáczynnika fh (fh = 0,5÷0,7), który koryguje wartoĞü oporu gruntu Rg. Mamy wiĊc ostatecznie: L Qg H p 1 R p f h Rg [m] Hp 'T (5.15) WartoĞü Rg zaleĪy od wáaĞciwoĞci fizycznych gruntu. W glebach wilgotnych jednostkowy opór gruntu przyjmuje niĪsze wartoĞci niĪ w glebach suchych. Dla obliczeĔ projektowych moĪna przyjąü w przybliĪeniu, Īe wartoĞü tego oporu zmienia siĊ w granicach Rg = 0,55 ÷ 0,8 mK/W [10]. Jednostkowy opór cieplny wnikania i przewodzenia w rurze kolektora ziemnego moĪna okreĞliü z zaleĪnoĞci: Rp D 1 1 ln z [mK/W] SD w Dw 2SO p Dw (5.16) gdzie: Įw – wspóáczynnik wnikania ciepáa [W/m2K], Ȝp – wspóáczynnik przewodzenia ciepáa [W/m2K], Dw – Ğrednica wewnĊtrznej kolektora [m], Dz – Ğrednica zewnĊtrzna kolektora [m]. Obliczenie dáugoĞci rur dla sond pionowych wyznacza siĊ równieĪ z zaleĪnoĞci (5.15) dla poziomych wymienników gruntowych. StrumieĔ ciepáa Q0 odbierany przez pompĊ ciepáa z gruntu, który stanowi dolne Ĩródáo ciepáa dla pomp ciepáa, zaleĪy od zapotrzebowania wody grzejnej Qg np. dla ogrzewania budynku), oraz od wskaĨnika efektywnoĞci energetycznej pompy ciepáa İp. StrumieĔ ten moĪna okreĞliü z zaleĪnoĞci: Q0 Qg H p 1 [W] Hp (5.17) 46 Charakterystyka elementów i systemów... WskaĨnik efektywnoĞci energetycznej İp (wspóáczynnik efektywnoĞci) jest wyraĪony jako stosunek energii cieplnej odbieranej na poziomie Ĩródáa górnego, do energii napĊdowej pompy ciepáa. Od wspóáczynnika İp uzaleĪniona jest sprawnoĞü grzania pompy ciepáa Ș, czyli stopieĔ wykorzystania energii pierwotnej. SprawnoĞü Ș pompy ciepáa, definiowana jest jako stosunek energii cieplnej odbieranej na poziomie Ĩródáa górnego, do caákowitej energii doprowadzonej do pompy ciepáa w przeliczeniu na energiĊ pierwotną. SprawnoĞü grzania dla róĪnych rodzajów pomp ciepáa, oraz ich porównanie z tradycyjnym ogrzewaniem przedstawiono w tabeli 5.2. Tab. 5.2. SprawnoĞü grzania pomp ciepáa wykorzystujących ciepáo gruntu. Pompa ciepáa SprawnoĞü grzania Ș przy İp = 3 przy İp = 4 SprĊĪarkowa pompa ciepáa (napĊdzana energią elektryczną z sieci) SprĊĪarkowa pompa ciepáa (skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepáa w silnikach spalinowych) SprĊĪarkowa pompa ciepáa (napĊdzana gazowym silnikiem wysokoprĊĪnym) Sorpcyjna pompa ciepáa 0,9 – 1,1 1,2 – 1,5 1,5 – 1,6 1,8 – 2,0 1,3 – 1,8 1,2 – 1,5 Dla porównania: Ogrzewanie energią elektryczna z sieci 0,3 – 0,4 Kocioá c.o. przed 1970 ok 0,5 Nowoczesny kocioá c.o. ok 0,9 Kondensacyjny kocioá c.o. ok 1,0 ħródáo: [10] Wspóápraca pompy ciepáa z instalacją centralnego ogrzewania moĪe odbywaü siĊ w oparciu o dwa podstawowe ukáady: x Ukáad monowalentny – w którym pompa ciepáa stanowi samodzielne Ĩródáo zasilania do celów grzewczych (c.o. oraz c.w.u.). Tego typu ukáad (rys. 5.9.) powinien charakteryzowaü siĊ stabilną temperaturą dolnego Ĩródáa ciepáa w ciągu roku, 47 Charakterystyka elementów i systemów... x Ukáad biwalentny (ukáad záoĪony) – z pompą ciepáa która stanowi podstawowe Ĩródáo ciepáa, oraz dodatkowym Ĩródáem (szczytowym) którym moĪe byü np. kocioá elektryczny, gazowy lub olejowy. Pompa ciepáa zaspakaja potrzeby energetyczne budynku przez wiĊkszą czĊĞü roku, a w okresie najwiĊkszego zapotrzebowania na energiĊ grzejną zostaje wspomagana lub w caáoĞci zastąpiona przez szczytowe Ĩródáo ciepáa. WĞród systemów biwalentnych moĪna rozróĪniü (rys. 5.10.): - system rozdzielony (alternatywny) – w którym Ĩródáa ciepáa nie pracują równoczeĞnie, tzn. przy granicznej temperaturze zewnĊtrznej nastĊpuje wyáączenie pompy ciepáa, a wystĊpujące wówczas zapotrzebowanie zostaje pokryte przez drugie Ĩródáo ciepáa, - system równolegáy – praca obydwu Ĩródeá odbywa siĊ równoczeĞnie, - system mieszany – praca obydwu Ĩródeá odbywa siĊ równoczeĞnie ale tylko w okreĞlonym zakresie temperatury zewnĊtrznej, a przy szczytowym poborze energii cieplnej pompa ciepáa jest wyáączana. Q Pompa ciepáa N Rys. 5.9. Ukáad monowalentny Q – zapotrzebowanie na ciepáo N – dáugoĞü sezonu grzewczego (liczba dni w roku) UwzglĊdniając z jednej strony zapotrzebowanie budynku na energiĊ cieplną, z drugiej strony specyfikĊ dolnego Ĩródáa ciepáa (wilgotnoĞü i rodzaj gruntu), moĪna dokonaü wyboru odpowiedniej pompy ciepáa, wymiennika ciepáa (kolektor poziomy 48 Charakterystyka elementów i systemów... lub sonda pionowa), oraz ukáadu wspóápracy Ĩródáa ciepáa z instalacją centralnego ogrzewania i ciepáej wody uĪytkowej. Q Q a) b) Kocioá szczytowy Kocioá szczytowy Pompa ciepáa Pompa ciepáa N N Q c) Rys. 5.10. Ukáad biwalentny: a) system rozdzielony, b) system równolegáy, c) system mieszany. Q – zapotrzebowanie na ciepáo N – dáugoĞü sezonu grzewczego (liczba dni w roku) Kocioá szczytowy Pompa ciepáa N 5.4. Geotermalne systemy wydobywczo – przetwarzające Systemy wydobywczo – przetwarzające , jako ukáady pozyskiwania i wykorzystania energii geotermalnej obejmują nastĊpujące czĊĞci: x zespóá elementów umoĪliwiających wydobycie energii geotermalnej z wnĊtrza Ziemi na jej powierzchniĊ, x zespóá powierzchniowych Ğrodków technicznych, pozwalających, w zaleĪnoĞci od temperatury noĞnika ciepáa, na jego wykorzystanie do celów grzewczych, procesów technologicznych lub produkcji prądu elektrycznego (w przypadku wysokich temperatur, przewyĪszających znacznie 100°C). Podstawowymi elementami systemu do wydobywania i zagospodarowania energii geotermalnej są [10]: 49 Charakterystyka elementów i systemów... x záoĪe geotermalne – najczĊĞciej w postaci warstwy wodonoĞnej, odbierającej ciepáo od szkieletu skalnego. Warstwa wodonoĞna moĪe byü uznana za swego rodzaju podziemny wymiennik ciepáa, x kanaáy dostĊpu do záoĪa, áączące poziom roboczy záoĪa z powierzchnią, x páyn jako noĞnik ciepáa (najczĊĞciej woda), x specjalne oprzyrządowanie podziemne (filtry, pompy gáĊbinowe, zapuszczane w otworach wymienniki ciepáa, x zespóá urządzeĔ, w tym powierzchniowe wymienniki ciepáa, umoĪliwiających wykorzystanie wody geotermalnej do celów grzewczych i/lub technologicznych, x zespóá urządzeĔ technicznych pozwalających na wytworzenie energii elektrycznej w przypadku wysokich temperatur noĞnika ciepáa (separator, turbina, generator), x zespóá urządzeĔ wspomagających w przypadku zbyt niskiej temperatury noĞnika (kotáy szczytowe). Systemy geotermalne w zaleĪnoĞci od stopnia mineralizacji wody podziemnej mogą funkcjonwaü jako jednootworowe lub dwuotworowe (dublety geotermalne). Jednootworowe otwarte systemy wydobywcze znajdują zastosowanie w przypadku wód sáodkich lub sáabo zmineralizowanych, o mineralizacji 1÷3g/dm3, w których woda geotermalna po oddaniu swojego ciepáa zostaje kierowana do wód powierzchniowych. Systemy zamkniĊte jedno lub dwuotworowe wydobywczo – zatáaczające, stosuje siĊ w przypadku wód o wiĊkszym zasoleniu, gdzie woda geotermalna po wykorzystaniu jest z powrotem zatáaczana do záoĪa. PoniĪej zostaną omówione najczĊĞciej spotykane rozwiązania systemów geotermalnych jedno i dwuotworowych. Na rysunku 5.11. przedstawiono jednootworowy otwarty system geotermalny. Pompa gáĊbinowa PG umieszczona w otworze eksploatacyjnym OE, sáuĪy do wydobycia wody geotermalnej na powierzchniĊ i dostarczeniu jej na wymiennik ciepáa WC, w którym wydobyta woda oddaje swoje ciepáo wodzie obiegu sieciowego. W przypadku záoĪa o ciĞnieniu artezyjskim, pompa gáĊbinowa nie jest konieczna, bowiem woda posiada odpowiednie ciĞnienie do samodzielnego wypáywu na powierzchniĊ. KrąĪąca w ukáadzie zamkniĊtym woda sieciowa doprowadzana jest do odbiorców ciepáa OC, gdzie najczĊĞciej oddaje swoje ciepáo w indywidualnych wymiennikach ciepáa zainstalowanych u konkretnych odbiorców, 50 Charakterystyka elementów i systemów... z których to poszczególni odbiorcy czerpią ciepáo na cele centralnego ogrzewania i przygotowania ciepáej wody uĪytkowej. JeĪeli powracająca woda od odbiorców ciepáa ma jeszcze wystarczająco duĪą entalpiĊ, przed ponownym wprowadzeniem na gáówny wymiennik ciepáa WC, moĪe zostaü wykorzystana do innych celów (np. agrotermia, rekreacja, itp.) Woda geotermalna po oddaniu ciepáa jest kierowana do powierzchniowego zbiornika retencyjnego ZP, gdzie moĪe zostaü wykorzystana jeszcze do innych celów tj: do nawadniania, hodowli ryb a nawet po uprzednim przygotowaniu do celów pitnych. Niewykorzystana woda geotermalna moĪe byü wprowadzona do rzek lub jezior, poniewaĪ posiada niską mineralizacjĊ. Otwarty system jednootworowy z jednej strony uniezaleĪnia wydobycie wody od cháonnoĞci záoĪa, lecz z drugiej strony moĪe ograniczaü intensywnoĞü eksploatacji ze wzglĊdu na sáabe uzupeánianie záoĪa przez przenikanie wód gruntowych. OC P WC ZP PG OE Warstwa wodonoĞna Rys. 5.11. Jednootworowy, jednowarstwowy otwarty system wydobywania wody geotermalnej z zastosowaniem pompy gáĊbinowej W przypadku wód geotermalnych o wiĊkszej mineralizacji, moĪliwa jest równieĪ ich eksploatacja z wykorzystaniem tylko jednego otworu, ale wówczas do otworu wprowadzane są dwie wspóáĞrodkowo uáoĪone rury, z których jedna peáni rolĊ wydobywczą a druga zatáaczającą. Takie rozwiązanie jest przedstawione na rysunku 5.12. Do otworu wprowadzony jest element typu rura w rurze, w wyniku 51 Charakterystyka elementów i systemów... czego otrzymuje siĊ kanaá wewnĊtrzny i dwa kanaáy wspáóĞrodkowe. Zastosowana pompa gáĊbinowa umoĪliwia (w przypadku záoĪa subartezyjskiego) poprzez rurĊ wewnĊtrzną wydobycie wody geotermalnej na powierzchniĊ ze záoĪa poáoĪonego niĪej i przekazanie jej do napowietrznej instalacji geotermalnej. Zatáaczanie wykorzystanej wody o odpowiednio niskiej temperaturze, realizowane jest kanaáem wspóáĞrodkowym do wyĪej poáoĪonej warstwy wodonoĞnej. Zasadniczą zaletą takiego rozwiązania jest moĪliwoĞü pobierania i zatáaczania wody geotermalnej jednym otworem, bez koniecznoĞci wiercenia osobnego otworu zatáaczającego, znacznie powiĊkszającego nakáady inwestycyjne systemu. OC P WC P PG Warstwa wodonoĞna Warstwa wodonoĞna Rys. 5.12. Jednootworowy, dwuwarstwowy zamkniĊty system typu rura w rurze z pompą gáĊbinową do wydobywania wody geotermalnej W przypadku wód silnie zmineralizowanych moĪna stosowaü zamkniĊte ukáady dwuotworowe. Jednym z takich rozwiązaĔ jest ukáad pokazany na rysunku 5.13. Ukáad taki posiada dwa otwory z których jeden peáni rolĊ otworu wydobywczego OE, a drugi zatáaczającego OZ. Woda jak poprzednio po wydobyciu i oddaniu swojej energii w wymienniku ciepáa WC, jest z powrotem zatáaczana do warstwy wodonoĞnej, jednak w tym wypadku za poĞrednictwem specjalnie wykonanego do tego celu otworu zatáaczającego. System dwuotworowy jest droĪszym rozwiązaniem niĪ system jednootworowy, ale takie rozwiązanie 52 Charakterystyka elementów i systemów... umoĪliwia uzyskanie praktycznie niewyczerpalnoĞci záoĪa, ze wzglĊdu na ciągáy dopáyw czynnika cieplnego. Zatáaczana woda, zwáaszcza w okresie mniejszej eksploatacji záoĪa (poza sezonem grzewczym), zasila ponownie zbiornik geotermalny. Warunkiem utrzymania w miarĊ staáej temperatury w záoĪu jest zachowanie odpowiedniej odlegáoĞci pomiĊdzy obydwoma otworami. P WC P PG OZ OE Warstwa wodonoĞna Rys. 5.13. Dwuotworowy, jednowarstwowy system zamkniĊty z pompą gáĊbinową do wydobywania wody geotermalnej. Ukáad przedstawiony na rysunku 5.14., jest podobnym rozwiązaniem jak poprzednio omówiony, z tą róĪnicą Īe woda geotermalna po oddaniu ciepáa w wymienniku WC, jest zatáaczana z powrotem do wyĪej poáoĪonej warstwy wodonoĞnej. Rozwiązanie takie jest podyktowane warunkami hydrogeotermalnymi, w miejscu powstania instalacji. W prezentowanych dotychczas systemach geotermalnych noĞnikiem ciepáa byáa woda geotermalna która dopiero na powierzchni przekazywaáa swoje ciepáo wodzie obiegu sieciowego. PoniĪej zostaną przedstawione jeszcze dwa systemy w których odbiór ciepáa geotermalnego odbywa zarówno w ziemi, jak i po wydobyciu na powierzchniĊ. Ukáad zaprezentowany na rysunku 5.15., posiada dodatkowo wprowadzony do otworu wymiennik typu Fielda z przeciwprądowym przepáywem czynnika 53 Charakterystyka elementów i systemów... roboczego. System posiada dwa niezaleĪne obiegi sieciowe, doprowadzające ciepáo do dwóch grup odbiorców o zróĪnicowanych zapotrzebowaniach na energie grzewczą. Praca ukáadu odbywa siĊ cyklicznie, w ten sposób, Īe w sezonie grzewczym, wydobyta woda geotermalna po oddaniu ciepáa w gáównym wymienniku ciepáa WC wodzie sieciowej I obiegu, zostaje skierowana do zbiornika powierzchniowego ZP. RównoczeĞnie poprzez wprowadzony do otworu wymiennik Fielda, podgrzewana jest woda sieciowa zasilająca obieg II. Drugi cykl pracy systemu a wiĊc kierowanie wody ze zbiornika retencyjnego z powrotem do záoĪa nastĊpuje w okresie wyáączenia instalacji (w sezonie letnim), tym samym kanaáem pierĞcieniowym którym poprzednio woda byáa wydobywana na powierzchniĊ. OC P WC P PG OE OZ Warstwa wodonoĞna Warstwa wodonoĞna Rys. 5.14. Dwuotworowy, dwuwarstwowy zamkniĊty system z pompą gáĊbinową do wydobywania wody geotermalnej Podobne rozwiązanie to system przedstawiony na rysunku 5.16., gdzie równieĪ ciepáo geotermalne wykorzystywane jest do ogrzewania dwóch grup odbiorców, z wykorzystaniem wymiennika Fielda. RóĪnica w stosunku do ukáadu z rys. 5.15. polega na tym Īe ukáad moĪe pracowaü przez caáy rok, bowiem zatáaczanie wody odbywa siĊ poprzez otwór cháonny, usytuowany w odpowiedniej odlegáoĞci od otworu wydobywczego. 54 55 P PG P P ZP P Warstwa wodonoĞna WC OC I Rys. 5.15. Jednootworowy, jednowarstwowy otwarty system z dodatkowym wymiennikiem typu Fielda, do wydobywania wody geotermalnej OC II P PG Warstwa wodonoĞna WC OC I P P Rys. 5.16. Dwuotworowy, jednowarstwowy zamkniĊty system z wymiennikiem typu Fielda, do wydobywania wody geotermalnej OC II Technologie wykorzystania energii... 6. Technologie wykorzystania energii geotermalnej w ciepáowniach i elektrowniach Ciepáownie lub elektrociepáownie geotermalne wykorzystujące energiĊ wód wgáĊbnych jako noĞnik ciepáa dla celów grzewczych i przygotowania ciepáej wody uĪytkowej, stanowią jedną z metod bezpoĞredniego wykorzystania energii geotermalnej. Decyzja o podjĊciu budowy ciepáowni geotermalnej, jest zazwyczaj poprzedzana szeregiem analiz, których celem jest stwierdzenie potrzeby realizacji takiej inwestycji. Fakt iĪ ciepáownia geotermalna ze wzglĊdu na swoją specyfikĊ jest przyjazna dla Ğrodowiska naturalnego, nie wystarcza na podjĊcie decyzji o jej budowie. Decydującymi czynnikami tutaj są wzglĊdy techniczno – ekonomiczne, a wiĊc to czy taka inwestycja jest moĪliwa do wykonania z technicznego punktu widzenia i czy jest opáacalna ekonomicznie. Ze wzglĊdu na róĪne warunki hydrogeologiczne oraz naziemne okreĞlonego regionu, projekty geotermalne są rozpatrywane indywidualnie dla konkretnej lokalizacji. KaĪdorazowo projekt budowy i struktury instalacji geotermalnej naleĪy uwzglĊdniü od dwóch grup czynników [10]: 1) Warunki hydrogeologiczne: - kolektorskie warunki hydrogeologiczne záoĪa ( wielkoĞü zasobów, miąĪszoĞü, porowatoĞü, przepuszczalnoĞü i wydajnoĞü), - warunki termiczne wody geotermalnej (temperatura, gĊstoĞü, strumieĔ cieplny, gradient temperatury, wáaĞciwoĞci cieplne), - warunki chemiczne záoĪa (skáad chemiczny, stopieĔ mineralizacji, zawartoĞü gazów, zawartoĞü zanieczyszczeĔ staáych) 2) Warunki naziemne: - gwarancjĊ odbioru ciepáa (istniejące lub rozbudowujące siĊ osiedla, miasta), - koncentracja uĪytkowników ciepáa geotermalnego, - parametry i charakter potrzeb, - sposoby pokrycia aktualnego lub spodziewanego deficytu ciepáa w danym rejonie, - strukturĊ i stan techniczny istniejącej sieci cieplnej miast, 56 Technologie wykorzystania energii... - warunki efektywnego zagospodarowania ciepáa geotermalnego z uwzglĊdnieniem wykorzystania bez zmian lub przy niewielkich zmianach istniejącego systemu ciepáowniczego. Po rozpoznaniu czynników zaliczonych do obydwu powyĪszych grup, naleĪy zastanowiü siĊ, biorąc pod uwagĊ aktualny stan ciepáownictwa w danym regionie (mieĞcie), jaką rolĊ bĊdzie peániü planowana ciepáownia geotermalna, tzn. czy geotermalna instalacja naziemna [10]: - stanowiü bĊdzie nowe, samodzielne Ĩródáo ciepáa, (zastĊpujące kotáowniĊ konwencjonalną), zasilające istniejącą sieü ciepáowniczą, - budowana bĊdzie jako samodzielny system ciepáowniczy (Ĩródáo ciepáa, sieü przesyáowa, instalacje odbiorcze), oparty tylko o energiĊ pozyskiwaną z wód geotermalnych, zasilający caáe miasto lub tylko wybrane dzielnice, - stanowiü bĊdzie element rozbudowy i wspomagania istniejącej ciepáowni konwencjonalnej (wĊglowej, gazowej), wspóápracujący na wspólną sieü ciepáowniczą, - stanowiü bĊdzie niezaleĪne Ĩródáo ciepáa, wspóápracujące z innymi konwencjonalnymi ciepáowniami i na wspólną sieü przesyáową i odbiorczą, - tworzyü bĊdzie samodzielny system ciepáowniczy, wspomagający lub wspóápracujący z istniejącym konwencjonalnym systemem ciepáowniczym, - wchodziü bĊdzie w zintegrowany system pozyskiwania energii, w którym w jednym Ĩródle ciepáa kojarzy siĊ tĊ instalacjĊ z innymi proekologicznymi instalacjami, takimi jak: instalacje biogazowe, spalarnie Ğmieci, bloki turbin gazowo – parowych itp., - wchodziü bĊdzie w skáad systemu trigeneracji, tj. skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej, cieplnej i cháodu sieciowego. WystĊpujące w Polsce wody geotermalne zalicza siĊ do wód o niskiej i Ğredniej entalpi, których temperatura nie przekracza na ogóá 100°C. Fakt ten powoduje iĪ struktura naziemnej instalacji geotermalnej staje siĊ dosyü záoĪona, w przypadku zasilania istniejącego juĪ systemu ciepáowniczego. Powodem jest to Īe tradycyjne krajowe sieci ciepáownicze zasilane z ciepáowni wĊglowych, mają zazwyczaj parametry wody sieciowej na poziomie 150/70°C lub 130/70°C. Z tego 57 Technologie wykorzystania energii... wzglĊdu ciepáownia geotermalna zostaje ograniczona do zasilania odbiorców niskotemperaturowych, bądĨ wymaga zastosowania dodatkowych urządzeĔ wspomagających w postaci kotáów szczytowych lub pomp ciepáa. Innym rozwiązaniem moĪe byü przystosowanie odbiorców ciepáa do geotermalnego Ĩródáa ciepáa w celu poprawienia jego efektywnoĞci, poprzez obniĪenie temperatury wody powracającej z instalacji. Korzystna i zbliĪona prawie do wartoĞci staáej w caáym roku temperatura wody powrotnej, zapewniü moĪe staáoĞü obciąĪenia urządzeĔ ciepáowni i duĪą efektywnoĞü pozyskiwania ciepáa geotermalnego. Dla danego budynku obniĪenie temperatury wody powracającej z instalacji c.o. moĪna uzyskaü przez: x obniĪenie parametrów obliczeniowych instalacji przez: - zmniejszenie obliczeniowego zapotrzebowania na ciepáo do ogrzewania Q. Aby w takim wypadku utrzymaü odpowiedni komfort cieplny pomieszczenia (dotrzymanie temperatury wewnĊtrznej) moĪna to zrealizowaü poprzez termorenowacjĊ budynku (docieplenie przegród zewnĊtrznych, wymiana okien itp.). - zwiĊkszenie powierzchni wymiany ciepáa grzejników A (tab. 6.1.) Tab. 6.1. Sposoby obniĪenia parametrów obliczeniowych instalacji c.o., z zachowaniem komfortu cieplnego budynku. Parametry obliczeniowe instalacji Zmniejszenie Q [%] ZwiĊkszenie 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 ħródáo: [10] x zwiĊkszenie obliczeniowego spadku temperatury wody w grzejnikach przy zachowaniu niezmienionych parametrów obliczeniowych instalacji (np. 90/70°C), przez zmniejszenie caákowitego strumienia wody krąĪącej w instalacji. ObniĪenie temperatury wody powracającej z instalacji przez zmniejszenia strumienia wody krąĪącej, wymusza zwiĊkszenia temperatury zasilania, bowiem dla 58 Technologie wykorzystania energii... zapewniania odpowiedniego komfortu cieplnego w pomieszczeniu, temperatura Ğrednia grzejnika musi zostaü na niezmienionym poziomie. ObniĪenie temperatury powrotu bez koniecznoĞci zwiĊkszania temperatury zasilania, jest moĪliwe w przypadku instalacji przewymiarowanych. Dla instalacji zaprojektowanych prawidáowo moĪna zmniejszyü temperaturĊ powrotu przez redukcjĊ strumienia wody Ø, jednak musi byü to poáączone ze zmniejszeniem zapotrzebowania na ciepáo Q lub zwiĊkszeniem powierzchni grzejników A. W przeciwnym wypadku sama redukcja przepáywu wody przez grzejnik spowoduje obniĪenie temperatury wewnĊtrznej pomieszczenia (tab. 6.2.) Tab. 6.2. Wpáyw zmniejszenia strumienia wody krąĪącej Ø, na parametry instalacji Ø [-] TZ [°C] TP [°C] Zmniejszenie Q [%] ZwiĊkszenie 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 – strumieĔ przepáywu wody w instalacji, TW – wewnĊtrzna temperatura w pomieszczeniu w przypadku samej regulacji Ø. ħródáo: [10] Zbyt duĪa redukcja strumienia Ø moĪe doprowadziü do rozregulowania instalacji c.o., dlatego przepáyw powinien byü zmieniany maáymi skokami, najlepiej na pomocą pompy obiegowej sterowanej przetwornicą czĊstotliwoĞci. Obecnie stosowane energooszczĊdne technologie w budownictwie, powodują iĪ zmniejsza siĊ zapotrzebowanie na ciepáo do ogrzewania pomieszczeĔ. Podobny efekt dają prace termomodernizacyjne (docieplanie budynków, wymiana okien, itp.), oraz montowanie elementów sprzyjających oszczĊdzaniu energii (termostaty, automatyka pogodowa). Zmniejszenia zapotrzebowania na ciepáo budynków sprawia iĪ parametry konwencjonalnych ciepáowni stają siĊ czĊsto przewymiarowane a co za tym idzie spada sprawnoĞü takich ciepáowni. W przypadku ciepáowni geotermalnych zmniejszenie zapotrzebowania na ciepáo jest zjawiskiem korzystnym, bowiem wówczas w wielu przypadkach mogą stanowiü one 59 Technologie wykorzystania energii... samodzielne Ĩródáa ciepáa, lub byü wspierane dodatkowymi urządzeniami szczytowymi tylko w najzimniejszych okresach sezonu grzewczego. 6.1. Podstawowe ukáady systemów energii geotermalnej w ciepáownictwie. Systemy instalacji geotermalnych stosowanych w ciepáownictwie komunalnym, zaleĪą od parametrów wykorzystywanej wody geotermalnej, oraz od zapotrzebowania na ciepáo odbiorców. Parametry wód geotermalnych na danym obszarze moĪna przyjąü za staáe, jednak zapotrzebowanie odbiorców na ciepáo jest zmienne w ciągu roku w zaleĪnoĞci od temperatury zewnĊtrznej, dlatego podstawą do projektowania ukáadów geotermalnych są tzw. wykresy uporządkowane zapotrzebowania ciepáa. Wykres taki jest bardzo pomocny przy ustalaniu koncepcji i projektowaniu Ĩródáa ciepáa, zwáaszcza przy wyborze zestawu urządzeĔ do odbioru energii wód geotermalnych. W zaleĪnoĞci od udziaáu energii geotermalnej w zaspakajaniu potrzeb grzejnych odbiorców, moĪna wyróĪniü trzy podstawowe ukáady systemów geotermalnych: Ukáad monowalentny – charakteryzuje siĊ tym Īe potrzeby grzejne odbiorców są w peáni zaspakajane przez ciepáowniĊ geotermalną (rys. 6.1.). W takim wypadku moc zainstalowana w Ĩródle jest dostosowana do maksymalnego zapotrzebowania na moc cieplną, okreĞloną dla obliczeniowej temperatury zewnĊtrznej. Ukáad ten (ze wzglĊdu na nadwyĪkĊ mocy poza szczytem obciąĪenia) posiada istotną wadĊ polegającą na niskim wykorzystaniu mocy dyspozycyjnej Ĩródáa geotermalnego, co prowadzi do wzrostu kosztu pozyskiwanego ciepáa. CelowoĞü stosowania takiego ukáadu jest usprawiedliwiona w przypadku wysokich Q Qmax = Qgeo Grupa odbiorców ciepáa Centralne ogrzewanie Ciepáownia geotermalna Ciepáa woda uĪytkowa N Rys. 6.1. Schemat blokowy i wykres uporządkowany ukáadu monowalentnego Q – zapotrzebowanie na ciepáo, Qmax. – maksymalne zapotrzebowanie na ciepáo Qgeo. – iloĞü ciepáa pozyskana z geotermii, N – dáugoĞü sezonu grzewczego (dni) 60 Technologie wykorzystania energii... temperatur wody geotermalnej (ok. 100°C), i/lub kaskadowym wykorzystaniu zapasu energii cieplnej do róĪnych procesów technologicznych. Ukáad biwalentny – ukáad w którym ciepáownia geotermalna peáni funkcjĊ Ĩródáa podstawowego, wspomaganego jedynie w okresie najwiĊkszego zapotrzebowania na ciepáo przez kocioá szczytowy (np. gazowy lub olejowy). Ukáad taki umoĪliwia lepsze wykorzystanie mocy dyspozycyjnej Ĩródáa geotermalnego przez caáy okres grzewczy, bowiem przez wiĊkszą czĊĞü roku potrzeby cieplne zaspakaja ciepáownia geotermalna, a jedynie w szczycie uruchamiany jest ukáad z kotáem szczytowym, który najczĊĞciej stanowi istniejąca stara kotáownia (rys. 6.2.). Ukáad biwalentny jest jednak droĪszym inwestycyjnie rozwiązaniem niĪ ukáad monowalentny. Q Kocioá szczytowy Grupa odbiorców ciepáa Qgeo < Qmax Centralne ogrzewanie Ciepáownia geotermalna Kocioá szczytowy Ciepáa woda uĪytkowa N Rys. 6.2. Schemat blokowy i wykres uporządkowany ukáadu biwalentnego Q – zapotrzebowanie na ciepáo, Qmax. – maksymalne zapotrzebowanie na ciepáo Qgeo. – iloĞü ciepáa pozyskana z geotermii, N – dáugoĞü sezonu grzewczego (dni) Ukáad kombinowany – w którym np. czĊĞü odbiorców zasilana jest przez ciepáowniĊ geotermalną (ogrzewanie niskotemperaturowe), a pozostaáą czĊĞü zapotrzebowania cieplnego zaspakaja kotáownia konwencjonalna (ogrzewanie tradycyjne). Powiązanie obu systemów umoĪliwia w znacznie wiĊkszym stopniu wykorzystanie mocy Ĩródáa geotermalnego i zmniejszenie kosztu produkcji ciepáa.(rys. 6.3.). Praca obu systemów wystĊpuje tylko w zimniejszych okresach sezonu grzewczego a poza tym okresem kotáy konwencjonalne zostają wygaszone, wówczas ciepáownia geotermalna przejmuje na siebie produkcjĊ ciepáa do ogrzewania i przygotowania ciepáej wody uĪytkowej. 61 Technologie wykorzystania energii... Q Kotáownia 1 Kotáownia 2 Grupa odbiorców ciepáa 1 Grupa odbiorców ciepáa 2 Kotáownia Qgeo GO_1 GO_2 Ciepáa woda uĪytkowa Ciepáownia geotermalna N Rys. 6.3. Schemat blokowy i wykres uporządkowany ukáadu kombinowanego GO – grupa odbiorców, Q – zapotrzebowanie na ciepáo, Qmax. – maksymalne zapotrzebowanie na ciepáo, Qgeo. – iloĞü ciepáa pozyskana z geotermii, N – dáugoĞü sezonu grzewczego (dni) Wybór jednego z przedstawionych rozwiązaĔ ciepáowni, dokonywany jest w oparciu o aspekt techniczno – eksploatacyjno – ekonomiczny, uwarunkowany lokalnymi warunkami geotermalnymi, oraz moĪliwoĞcią racjonalnego zagospodarowania ciepáa geotermalnego, zwáaszcza poza sezonem grzewczym. Aby móc okreĞliü wydajnoĞü grzewczą ciepáowni geotermalnej, naleĪy zorientowaü siĊ jakie są moĪliwoĞci produkcyjne danego rozwiązania. Roczną produkcjĊ ciepáa z ujĊcia geotermalnego moĪna obliczyü na podstawie wzoru: Qg VĝR n U c p (TW TZ ) 106 [GJ/rok] (6.1) gdzie: VĝR – Ğrednia roczna wydajnoĞü wody geotermalnej z otworu [m3/h], n – iloĞü godzin pracy ujĊcia geotermalnego w ciągu roku [h/rok], ȡ – gĊstoĞü wody geotermalnej na gáowicy [kg/m3], cp – ciepáo wáaĞciwe wody geotermalnej [kJ/(kg K)], TW – temperatura wydobywanej wody geotermalnej [K], TZ – temperatura zatáaczanej wody geotermalnej [K]. WielkoĞci VĝR, ȡ, cp oraz TW zaleĪą od warunków geotermalnych, pozostaáe natomiast (TZ oraz n), od sposobu zagospodarowania wydobytej wody geotermalnej. 62 Technologie wykorzystania energii... IloĞü odebranej energii z okreĞlonego ujĊcia geotermalnego, bĊdzie tym wiĊksza im dáuĪszy bĊdzie czas pracy instalacji n, im niĪsza bĊdzie temperatura zatáaczanej wody geotermalnej TZ, oraz im wiĊksza bĊdzie wydajnoĞü wydobycia i wartoĞü stopnia wykorzystania ujĊcia. ZaleĪnoĞü (6.1) moĪna uproĞciü zakáadając caáoroczną pracĊ ciepáowni geotermalnej (n = 8760 h), oraz przyjmując bez popeánienia duĪego báĊdu, Īe wartoĞü iloczynu ȡǜ cp jest staáa i wynosi dla przeciĊtnych warunków hydrogeotermalnych okoáo 4030 kJ/(m3K), wówczas: Qg 35,3 VĝR (TW TZ ) [GJ/rok] (6.2) Biorąc pod uwagĊ specyfikĊ i potrzeby odbiorców ciepáa, oraz parametry i moĪliwoĞci energetyczne ujĊcia geotermalnego, moĪna w sposób racjonalny dokonaü doboru wyposaĪenia i ukáadu geotermalnego, zapewniającego wysoką efektywnoĞü termodynamiczną i ekonomiczną. 6.2. Podstawowe schematy ciepáowni geotermalnych Ciepáownie geotermalne ze wzglĊdu na zapotrzebowanie mocy cieplnej na danym obszarze, projektowane są zawsze indywidualnie dla danej lokalizacji i mogą przyjmowaü róĪne postaci. Ciepáownia geotermalna w ukáadzie monowalentnym, wymaga aby záoĪe geotermalne charakteryzowaáo siĊ duĪą wydajnoĞcią i odpowiednio wysoką temperaturą (~ 100°C), przewyĪszającą wymagania odbiorców. Przykáad ciepáowni geotermalnej, pracującej w ukáadzie monowalentnym pokazano na rysunku 6.4. UĪytkownicy ciepáa P Zrzut do zbiornika powierzchniowego OW Rys. 6.4. Schemat ideowy ukáadu monowalentnego P – pompa, OW – otwór wydobywczy WC – wymiennik ciepáa 63 Technologie wykorzystania energii... W ukáadzie tym, ze wzglĊdu na niski stopieĔ mineralizacji, zastosowano zrzut wykorzystanej wody geotermalnej do zbiornika powierzchniowego (rzeka, jezioro, itp.). W przypadku gdyby woda geotermalna posiadaáa dodatkowo maáą agresywnoĞü korozyjną, moĪna by ją bezpoĞrednio wprowadziü do instalacji ciepáowniczej (z pominiĊciem wymiennika ciepáa). Ukáad z rysunku 6.5. reprezentuje system biwalentny, w którym zastosowano wspóápracĊ Ĩródáa geotermalnego ze Ĩródáem konwencjonalnym w postaci kotáa szczytowego. KS WC OC P P OW OZ Rys. 6.5. Schemat ideowy ukáadu biwalentnego z wykorzystaniem kotáa szczytowego OW – otwór wydobywczy, OZ – otwór zatáaczający, P – pompa, WC – wymiennik ciepáa, KS – kocioá szczytowy, OC – odbiorcy ciepáa. Zastosowanie kotáów szczytowych pozwala na dogrzanie wody sieciowej (zazwyczaj w okresie najniĪszych temperatur sezonu grzewczego), do temperatury zasilania wynikającej z wykresu regulacyjnego. Tego typu rozwiązanie pozwala na wykorzystanie istniejącej sieci ciepáowniczej, oraz tradycyjnych kaloryferów centralnego ogrzewania w mieszkaniach. System zaprezentowany na rysunku 6.6. stanowi ukáad dla odbiorców ciepáa o zróĪnicowanych potrzebach. Woda sieciowa o najwyĪszej temperaturze zasila (dogrzana ewentualnie poprzez kocioá szczytowy) grupĊ odbiorców wysokotemperaturowych. W drugim obiegu czĊĞü wykorzystanej i scháodzonej wody stanowi dolne Ĩródáo ciepáa dla pompy ciepáa, w której nastĊpuje dogrzanie wody i jej ponowne wykorzystanie do zasilania odbiorców 64 Technologie wykorzystania energii... niskotemperaturowych. W tym obiegu równieĪ istnieje moĪliwoĞü podgrzania wody przez kocioá szczytowy. KS WOC WC P PC KS P NOC P OW OZ Rys. 6.6. Schemat ideowy ukáadu kombinowanego z wykorzystaniem kotáa szczytowego i pompy ciepáa OW – otwór wydobywczy, OZ – otwór zatáaczający, P – pompa, WC – wymiennik ciepáa, KS – kocioá szczytowy, PC – pompa ciepáa, WOC – wysokotemperaturowi odbiorcy ciepáa, NOC – niskotemperaturowi odbiorcy ciepáa. DuĪą rolĊ jeĪeli chodzi o koszt jednostkowy ciepáa geotermalnego, odgrywa stopieĔ scháodzenia wody geotermalnej zatáaczanej z powrotem do záoĪa. Niską temperaturĊ wody powrotnej a przez to wiekszą efektywnoĞü ekonomiczną instalacji geotermalnej, moĪna uzyskaü przez tzw. kaskadowy system scháadzania wody sieciowej. Schemat ukáadu kaskadowego pokazano na rysunku 6.7. Kaskadowy system scháadzania wody polega na zasilaniu odbiorców o róĪnych potrzebach cieplnych. Woda jest stopniowo scháadzana u kolejnych odbiorców, tak Īe w koĔcowej fazie obiegu technologicznego posiada juĪ odpowiednio niską temperaturĊ. 65 Technologie wykorzystania energii... KS WOC ĝOC NOC WC P P OW OZ Rys. 6.7. Schemat ideowy ukáadu z kaskadowym wykorzystaniem ciepáa wody sieciowej OW – otwór wydobywczy, OZ – otwór zatáaczający, P – pompa, WC – wymiennik ciepáa, KS – kocioá szczytowy, WOC – wysokotemperaturowi odbiorcy ciepáa, ĝOC – Ğredniotemperaturowi odbiorcy ciepáa, NOC – niskotemperaturowi odbiorcy ciepáa. 6.3. Wykorzystanie energii geotermalnej w elektrowniach i elektrociepáowniach Wykorzystanie wody geotermalnej do napĊdu turbin w elektrowniach lub elektrociepáowniach, moĪliwe jest w zasadzie dla wód o temperaturze powyĪej 100°C. NapĊd turbiny stanowi para o odpowiednim ciĞnieniu, uzyskana z wody geotermalnej. Istnieją dwa podstawowe rodzaje elektrowni geotermalnych [10]: - z bezpoĞrednim odparowaniem wody geotermalnej w rozprĊĪaczu – separatorze (system flash). Uzyskana w rozprĊĪaczu para, po usuniĊciu kropelek wody w separatorze, kierowana jest do turbiny parowej. Skroplona para wraz z wodą geotermalną z rozprĊĪacza jest zatáaczana z powrotem do záoĪa (rys. 6.8.). 66 Technologie wykorzystania energii... Turbina Para Generator Separator Skraplacz Solanka Pompa Rys. 6.8. Schemat ideowy elektrowni geotermalnej z jednym stopniem rozprĊĪania - - elektrownie dwuczynnikowe (binarne). Gorąca woda geotermalna jest kierowana wówczas do specjalnego wymiennika ciepáa (parownika), speániającego rolĊ kotáa parowego dla obiegu, w którym czynnikiem roboczym jest ciecz o niskiej temperaturze wrzenia, np. freon lub amoniak. Obieg z wodą geotermalną (kolor czerwony) jest oddzielony od obiegu czynnika elektrowni (kolor zielony). Scháodzona woda geotermalna jest kierowana w caáoĞci do otworu zatáaczającego. Uzyskana para czynnika roboczego napĊdza turbinĊ i po skropleniu jest przetáaczana z powrotem do parownika (rys. 6.9.). Elektrownie binarne z dwuczynnikowym obiegiem stosuje siĊ w przypadku wód geotermalnych silnie zmineralizowanych i agresywnych chemicznie, oraz o niĪszej temperaturze niĪ w przypadku elektrowni z bezpoĞrednim odparowaniem wody geotermalnej. Wykorzystanie energii geotermalnej w Polsce, do produkcji prądu elektrycznego bezpoĞrednio w elektrowniach lub elektrociepáowniach nie jest obecnie praktykowane ze wzglĊdu na to, iĪ wystĊpujące u nas wody geotermalne posiadają temperaturĊ poniĪej 100°C. Byü moĪe w przyszáoĞci, gdy zostaną opracowane jakieĞ nowe technologie, uda siĊ wykorzystaü Ğredniotemperaturowe wody geotermalne którymi dysponuje nasz kraj. 67 Technologie wykorzystania energii... Turbina 1 OC Generator 2 Woda geotermalna Skraplacz 3 WC P P P Rys. 6.9. Schemat ideowy elektrowni geotermalnej dwuczynnikowej (binarnej) P – pompa, WC – wymienniki ciepáa, OC – odbiornik ciepáa, 1 – przegrzewacz pary, 2 – parownik powierzchniowy, 3 - podgrzewacz Inaczej ma siĊ sytuacja na Ğwiecie, gdzie juĪ w 1992 roku áączna moc elektrowni geotermalnych wynosiáa okoáo 6275 MWe (tab. 6.3.), a w roku 2001 okoáo 10000 MWe, co wskazuje na duĪą dynamikĊ rozwoju Ğwiatowej 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 Wáochy 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 ħródáo: [10], b.d. – brak danych 68 Technologie wykorzystania energii... 6.4. Przegląd udanych przedsiĊwziĊü ze Ĩródeá geotermicznych w Polsce Wykorzystanie energii geotermicznej, zarówno tej przypowierzchniowej ciepáa gruntu, jak i wód geotermalnych, znalazáo w Polsce juĪ wiele praktycznych zastosowaĔ. Prezentowane poniĪej przykáady obejmują kilka instalacji geotermicznych o zróĪnicowanych parametrach, które zostaáy zrealizowane w róĪnych regionach naszego kraju (rys. 6.10), a swoim istnieniem w „Ğwiecie energetyki” dają przykáad udanych przedsiĊwiĊü geotermicznych. 1 2 3 4 7 5 6 8 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Cedry Wielkie, Pyrzyce, Mszczonów, Uniejów, Miechów, Sáomniki, Bystrzyca Káodzka, Podhale Rys. 6.10. Rozmieszczenie udanych inwestycji opartych o wykorzystanie energii geotermicznej Krótka charakterystyka wymienionych Ĩródeá: 1.) Cedry Wielkie – przykáad w tym pomorskim mieĞcie dotyczy zastąpienia kotáowni wĊglowej w szkole podstawowej, maszynownią pomp ciepáa. Zastosowano pompy ciepáa typu woda – woda ALAND KAL PLUS, z dolnym Ĩródáem ciepáa w postaci odwiertów studziennych (jeden eksploatacyjny a drugi cháonny). Moc pomp ciepáa wynosi 135 kW i jest wykorzystywana do c.o. i przepáywowego grzania wody, natomiast energia napĊdowa (dla pompy ciepáa, pompy gáĊbinowej i obiegowej c.o.) jest równa 35 kW, co daje sprawnoĞü systemu bliską 4. Ukáad grzewczy obejmuje 69 Technologie wykorzystania energii... instalacjĊ grzejników niskotemperaturowych o parametrach 55/45°C, z zaworami termostatycznymi oraz sterownikiem pogodowym. 2.) Pyrzyce – miasto liczące 15 tys. mieszkaĔców, poáoĪone w woj. zachodniopomorskim, w którym zamiast planowanej kotáowni wĊglowej, zbudowano zakáad geotermalny do ogrzewania miasta. Zrealizowany w latach 1992 – 1997 system ciepáowniczy obejmuje ciepáowniĊ geotermalno – gazową o mocy szczytowej 48 MW, 15 km. sieci cieplnej, 28 km. sieci sterowniczo – sygnalizacyjnej, oraz 66 zautomatyzowanych wĊzáów cieplnych. System geotermalny obejmuje 2 otwory eksploatacyjne z których wydobywana jest woda geotermalna z gáĊbokoĞci 1600m, o temperaturze 61 ÷ 63°C, oraz 2 otwory cháonne do których zatáaczana jest woda geotermalna o temperaturze okoáo 26°C, po oddaniu ciepáa w wymienniku ciepáa. Moc cieplna samej ciepáowni geotermalnej wynosi 15 MW i przy wydobyciu rzĊdu 340m3/h, zaspakaja okoáo 60% zapotrzebowania na ciepáo do ogrzewania miasta (110 GWh/rok), co pozwala na zaoszczĊdzenie okoáo 20 000 t.p.u. Ciepáownia wspomagana jest w szczycie 4 kotáami gazowymi o áącznej mocy 40 MW. Ciepáownicza instalacja niskotemperaturowa o parametrach 95/45°C, wykonana jest z rur preizolowanych oraz wyposaĪona w system detekcji nieszczelnoĞci, co zapewnia niskie straty ciepáa. 3.) Mszczonów – siedmiotysiĊczne miasto w woj. mazowieckim, które w 2000 roku „wzbogaciáo” siĊ o nowoczesną ciepáownie geotermalno – gazową. Charakterystyczną cechą wykorzystywanego záoĪa geotermalnego jest niska mineralizacja wody, wynosząca 0,5g/dm3, co umoĪliwia zastosowanie jednootworowego systemu geotermalnego. Wydobywana woda z gáĊbokoĞci 1700m, o wydajnoĞci 55m3/h, ciepáowniczych oraz pitnych. wykorzystywana jest do celów Ciepáownicza czĊĞü zakáadu dziaáa w ukáadzie skojarzonym: woda sieciowa jest podgrzewana do odpowiedniej temperatury za pomocą ciepáa z wody geotermalnej i kotáów gazowych wraz z absorpcyjną pompą ciepáa. Caákowita moc ciepáowni wynosi ok. 10 MW, w tym ok. 2,7 MW pochodzi z absorpcyjnej pompy ciepáa wykorzystującej wodĊ geotermalną. Produkcja ciepáa wynosi ok. 100 TJ/rok, przy czym w sezonie grzewczym ok. 35% ciepáa dostarczanego odbiorcom pochodzi z wody geotermalnej. Scháodzona w czĊĞci ciepáowniczej woda 70 Technologie wykorzystania energii... geotermalna jest kierowana do miejskiej sieci wodociągowej jako woda pitna wysokiej jakoĞci. 4.) Uniejów – to miasto poáoĪone nad rzeka Wartą, liczące 3200 mieszkaĔców, od sezonu grzewczego 2000/2001 ogrzewane jest za pomocą ciepáowni geotermalno – olejowej. System geotermalny pracuje w ukáadzie zamkniĊtym, w którym wydobywana woda podziemna o temperaturze 67°C, z wydajnoĞcią 68m3/h, jest kierowana na wymienniki ciepáa c.o. i c.w.u., a nastĊpnie po scháodzeniu do temp. ok. 40 ÷ 45°C, jest z powrotem zatáaczana do záoĪa. Geotermalna sieü ciepáownicza licząca blisko 10km, objejmuje m.in. szkoáĊ, dom nauczyciela, przedszkole, Gminny OĞrodek Kultury, koscióá, plebaniĊ oĞrodek zdrowia, bloki i domy jednorodzinne, o sumarycznej liczbie przyáączeĔ równej 170. Moc ciepáowni geotermalnej wynosi 3,4 MW, która w szczycie zapotrzebowania na ciepáo moĪe byü wspomagana dwoma kotáami olejowymi o áącznej mocy 2,4 MW. Uzyskana moc 5,6 MW pozwala na wyprodukowanie ciepáa w iloĞci 38 TJ rocznie. W pierwszym sezonie grzewczym, produkcja ciepáa wyniosáa 20 TJ. 5.) Miechów – miejscowoĞü leĪąca na WyĪynie Krakowsko – CzĊstochowskiej, o liczbie mieszkaĔców ok. 12 000, gdzie jako system grzewczy dla szkoáy podstawowej i gimnazjum, wykorzystano technologiĊ pomp ciepáa. Jako Ĩródáo ciepáa zastosowano pompĊ ciepáa „Hibernatus" typu glikol-woda -W 24G3 × 2. Dolnym Ĩródáem ciepáa jest kolektor gruntowy poziomy tj. ukáad rur polietylenowych, wypeánionych páynem o obniĪonej temperaturze zamarzania, umieszczony na gáĊbokoĞci 1,4 ÷ 1,5 m pod ziemią. CharakterystykĊ Ĩródáa ciepáa przedstawiono w tab. 6.4. Tab. 6.4. Charakterystyka pompy ciepáa dla temperatury wyjĞciowej Tw, po stronie ciepáej Tw Moc grzewcza Pobór mocy elekt. EfektywnoĞü 35°C 96,48 kW 27,90 kWh 3,46 50°C 79,84 kW 30,38 kWh 2,63 ħródáo: Zestawienie wáasne na podstawie [28] 6.) Sáomniki – miasto sąsiadujące z Krakowem 25 km na póánoc. W Sáomnikach zmodernizowany zostaá system ogrzewania dziĊki przejĞciu na ogrzewanie niskotemperaturowe, z wykorzystaniem wód podziemnych i pompy ciepáa. 71 Technologie wykorzystania energii... SprawnoĞü cieplna pompy ciepáa wynosi 4,5, a uzyskiwana moc rzĊdu 283 kW, z wykorzystaniem wody podziemnej o temperaturze ok. 17°C, pozwala na zastąpienie 60% zuĪywanego gazu. ResztĊ zapotrzebowania pokrywa szczytowe Ĩródáo ciepáa w postaci kotáa gazowego. 7.) Bystrzyca Káodzka – miasto w woj. dolnoĞląskim, w którym zastosowano pompĊ ciepáa, dla której dolnym Ĩródáem ciepáa są Ğcieki komunalne z oczyszczalni Ğcieków. Pompa ciepáa ALAND o mocy 100 kW, sáuĪy jako Ĩródáo c.o. i c.w.u.dla hali technologicznej, uzyskując sprawnoĞü równą 4. Ukáad grzewczy jest w peáni zautomatyzowany, wyposaĪony w sterownik pogodowy i monitoring komputerowy pracy systemu. 8.) Podhale – System ciepáowniczy na Podhalu zostaá szerzej omówiony w dodatku B. 72 Porównanie geotermalnego Ĩródáa... 7. Porównanie geotermalnego Ĩródáa ciepáa ze Ĩródáem konwencjonalnym W rozdziale tym dokonano porównania Ĩródáa ciepáa w postaci ciepáowni geotermalnej, z konwencjonalnymi Ĩródáami, opartymi na spalaniu paliw kopalnych (wĊgiel, gaz, olej). PoniĪsza analiza ma na celu ukazanie wpáywu zastosowania niekonwencjonalnego Ĩródáa ciepáa, którym w tym przypadku jest energia wód geotermalnych, na moĪliwoĞü zaoszczĊdzenia paliwa konwencjonalnego, oraz wynikáego z tego efektu ekologicznego. W obliczeniach zostaáy zaáoĪone pewne uproszczenia, które jednak dla celów porównawczych są wystarczające (np. nie uwzglĊdniono sprawnoĞci przesyáania, regulacji i wykorzystania ciepáa, a jednie sprawnoĞü wytwarzania). Przedstawione informacje, oraz dane uĪyte w obliczeniach, pochodzą z analizy dostĊpnej literatury (tj. [4], [10], [19], [32]), oraz przeglądu ciepáowni geotermalnych opisanych w [28]. W obliczeniach uĪyto nastĊpujących zaleĪnoĞci: - moc Ĩródáa ciepáa Qmax: Q max Q[GJ / rok ] [MW] 3,6 m N [h] (7.1) gdzie: - 1MWh = 3,6 GJ ( 1MW x 3600 s), - Q – zapotrzebowanie na moc cieplną do ogrzewania budynków: Q - Ev K [kWh/rok] lub [MJ/rok] (7.2) EV – wskaĨnik kubaturowy zapotrzebowania na ciepáo w sezonie grzewczym [kWh/m3rok] lub [MJ/m3rok], - K – kubatura czĊĞci ogrzewanej budynku [m3], - m – stopieĔ wykorzystania mocy szczytowej zaleĪny od warunków klimatycznych: m (TO TE ) w zakresie 0,41 y 0,47 (TO TZMAX ) (7.3) w dalszych obliczeniach przyjĊto m = 0,44 73 Porównanie geotermalnego Ĩródáa... - TO - obliczeniowa temperatura pomieszczeĔ ogrzewanych [°C], - TE - Ğrednia temperatura powietrza zewnĊtrznego w sezonie grzewczym[°C], - TZMAX - obliczeniowa temperatura powietrza zewnĊtrznego w danej strefie klimatycznej [°C], - N – dáugoĞü sezonu grzewczego [h], - iloĞü zuĪytego paliwa konwencjonalnego: D Q[GJ / rok ] [t/rok ] Wo[GJ / t ] KW - WO – wartoĞü opaáowa paliwa [GJ/t], - Șw – sprawnoĞü wytwarzania ciepáa, (7.4) - wydajnoĞü grzewcza Ĩródáa geotermalnego Qg na podstawie wzoru 6.1; VĝR n U c p (TW TZ ) 10 6 [GJ/rok] Qg gdzie po przeksztaáceniu mamy zaleĪnoĞü na Ğrednią roczną wydajnoĞü Ĩródáa geotermalnego VĝR, jaką naleĪy uzyskaü, aby osiągnąü okreĞloną wydajnoĞü grzewczą Qg, dla danych parametrów záoĪa geotermalnego, z uwzglĊdnieniem sprawnoĞci wytwarzania Șw: VĝR Qg 6 n U c p (Tw Tz) 10 K w [m3 /h] (7.5) ZaáoĪenia obliczeniowe: x zasilane miasto liczy 10 000 mieszkaĔców, x miasto zlokalizowane jest na terenie wystĊpowania korzystnych warunków záoĪa wód geotermalnych, co umoĪliwia ich wykorzystanie do celów grzewczych, x obliczone zapotrzebowanie na ciepáo dla ogrzewania budynków mieszkalnych w mieĞcie, wynosi Q = 200 000 [GJ/rok], x standardowa dáugoĞü sezonu grzewczego trwa od 15 paĨdziernika do 15 kwietnia, co wynosi 183 dni = 4394 h, 74 Porównanie geotermalnego Ĩródáa... x miasto wyposaĪone jest w sieü ciepáowniczą przystosowaną do Ĩródáa geotermalnego jak i konwencjonalnego, x przy obliczeniach nie uwzglĊdnia siĊ sprawnoĞci przesyáania, regulacji i wykorzystania ciepáa, a jedynie sprawnoĞü wytwarzania ciepáa, x wartoĞü opaáową porównywanych paliw, oraz gáówne produkty emisji w wyniku ich spalania zestawiono w tab. 7.1. Tab. 7.1. WartoĞü opaáowa i emisja paliw konwencjonalnych Rodzaj paliwa WartoĞü opaáowa Emisja [kg/t] [GJ/t] CO2 SO2 NOX WĊgiel kamienny 25 2500 20 5 Olej opaáowy 42 1900 8 1,5 Gaz ziemny 48 1250 - 1,5 ħródáo: Zestawienie wáasne na podstawie [13], [19], [36] Wyniki analizy: Parametry ciepáowni geotermalnej jako samodzielnego Ĩródáa ciepáa (ukáad monowalentny): - Tw = 80 °C (353 K), - Tz = 40 °C (313 K), - Iloczyn ȡǜ cp – dla przeciĊtnych warunków hydrogeotermalnych wynosi 4030 kJ/(m3ʘK), - Qg = 200 000 GJ/rok, - n = N = 4394 h/rok (praca tylko w sezonie grzewczym), - Șw = 0,96 (sprawnoĞü páytowego wymiennika ciepáa o przepáywie przeciwprądowym), VĝR - szukana wartoĞü VĝR, w celu uzyskania zamierzonego Qg, - szukana moc Ĩródáa ciepáa Qmax. Qg 6 n U c p (Tw Tz ) 10 K w Q max Q[GJ / rok ] 3,6 m N [h] 200000 4394 4030 (80 - 40) 0,96 10-6 200 000 3,6 0,44 4394 294,12 [m3 /h] 28,7[MW] 75 Porównanie geotermalnego Ĩródáa... przyjĊto wydajnoĞü wody geotermalnej na poziomie VĝR = 300 [m3/h], oraz moc Ĩródáa ciepáa równą Qħ = 30 [MW]. Moc Ĩródeá konwencjonalnych analogiczna. Schematy ideowe ciepáowni geotermalnej i konwencjonalnej przedstawiono na rys. 7.1. Zestawienie uzyskanej oszczĊdnoĞci 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 iloĞü zuĪytego paliwa Rodzaj V [m3/rok] QĨ [MW] Șw Geotermalna 30 – wymiennik ciepáa 0,96 V = 131 8200 wody geoterm. WĊglowa 30 – kocioá wĊglowy 0,8 D = 10 000 wĊgla Olejowa 30 – kocioá olejowy 0,9 D = 5 291 oleju Gazowa 30 – kocioá gazowy 0,9 D = 4 630 gazu ciepáowni lub D [t/rok] ħródáo: Opracowanie wáasne Tab. 7.3. Efekt ekologiczny wykorzystania energii geotermalnej Rodzaj V [m3/rok] ciepáowni lub D [t/rok] CO2 SO2 NOX Geotermalna V = 131 8200 wody geoterm. - - - WĊglowa D = 10 000 wĊgla 25 000 200 50 Olejowa D = 5 291 oleju 10 053 42,3 7,9 Gazowa D = 4 630 gazu 5787,5 - 6,9 Emisja [t/rok] ħródáo: Opracowanie wáasne Analiza wykazaáa Īe w wypadku zastosowania energii geotermalnej moĪliwe jest znaczne zaoszczĊdzenie paliwa konwencjonalnego, oraz ograniczenie emisji szkodliwych związków do atmosfery. IloĞü zaoszczĊdzonego paliwa i związany z tym efekt ekologiczny uzaleĪniony jest od rodzaju zastosowanego paliwa, oraz sprawnoĞci wytwarzania energii cieplnej. ZastĊpując kotáowniĊ wĊglową, 76 Porównanie geotermalnego Ĩródáa... ciepáownią geotermalną, uzyskuje siĊ najwiĊkszą oszczĊdnoĞü paliwa i najwiĊksze ograniczenie emisji szkodliwych gazów do atmosfery. Ogrzewane miasto (10 tys. mieszkaĔców) 200 000 GJ/rok Ogrzewane miasto (10 tys. mieszkaĔców) 200 000 GJ/rok a) 40 40 73 WC_2 73 WC_2 Kotáownia konwencjonalna 30 MWt 77 WC_1 30 MWt b) P Ciepáownia Geotermalna P OW - 1 300 m3/h Tw=80 OZ - 1 Tz = 40 OW OZ Rys. 7.1. Schematy ideowe ciepáowni: a) geotermalnej, b) konwencjonalnej OW – otwór wydobywczy, OZ – otwór zatáaczający, WC_1 – geotermalny wymiennik ciepáa, WC_2 – „symboliczny” wymiennik ciepáa u odbiorców, P - pompa IloĞü zaoszczĊdzonego paliwa i niedoszáa emisja CO2 30 000 25 000 25 000 [t/rok] 20 000 IloĞü [t/r] 15 000 CO2 [t/r] 10 053 10 000 10 000 5 291 4 630 5 787,50 5 000 0 WĊgiel Olej Gaz Rys. 7.2. IloĞü zaoszczĊdzonego paliwa konwencjonalnego i uzyskany przez to efekt ekologiczny w postaci niewyemitowania CO2 ħródáo: Opracowanie wáasne 77 Porównanie geotermalnego Ĩródáa... Niewyemitowana iloĞü SO2 i NOx w wyniku zaoszczĊdzonego paliwa 250 200 [t/rok] 200 150 SO2 [t/r] 100 Nox [t/r] 50 50 42,3 7,9 6,9 0 0 WĊgiel Olej Gaz Rys. 7.3. Efekt ekologiczny w postaci niewyemitowania SO2 oraz NOX, w wyniku zaoszczĊdzonego paliwa konwencjonalnego ħródáo: Opracowanie wáasne 78 Podsumowanie Podsumowanie Energia geotermalna jako odnawialny i czysty ekologicznie noĞnik energii, ma duĪe szanse staü siĊ w przyszáoĞci jedną z podstawowych form wykorzystania OħE do celów energetycznych. Walory energii geotermalnej tj. praktyczna niewyczerpywalnoĞü, znikomy wpáyw na Ğrodowisko naturalne, powszechnoĞü warunków wystĊpowania, atmosferycznych, oraz są niezaleĪnoĞü niewątpliwe od powierzchniowych powaĪnym argumentem przemawiającym za wprowadzaniem projektów geotermalnych w Īycie, z jednoczesnym speánieniem zaáoĪeĔ zrównowaĪonego rozwoju energetycznego. Dokonując analizy moĪliwoĞci wykorzystania wewnĊtrznego ciepáa Ziemi do celów grzewczych, naleĪy najpierw dokonaü podziaáu rodzaju energii geotermicznej (przypowierzchniowa czy wgáĊbna wód geotermalnych) oraz odbiorców ciepáa pod wzglĊdem zapotrzebowania na moc cieplną (odbiorcy indywidualni czy wielkoskalowi w postaci caáych osiedli lub miast). Odbiorcy indywidualnych w postaci domków jednorodzinnych czy wiĊkszych obiektów uĪytecznoĞci publicznej jak szkoáy, oĞrodki zdrowia, koĞcioáy, itp., jako samodzielne jednostki, wykorzystują zazwyczaj energiĊ geotermiczną przypowierzchniowej warstwy gruntu. Projekty geotermiczne w tego rodzaju inwestycjach wymagają dobrania rodzaju dolnego Ĩródáa ciepáa, jego konfiguracji i dáugoĞci (kolektor gruntowy, sonda pionowa), oraz urządzenia przetwarzającego tą energiĊ (pompa ciepáa), indywidualnie dla kaĪdego uĪytkownika, biorąc od uwagĊ lokalne wáaĞciwoĞci gruntu, oraz zapotrzebowanie na energiĊ cieplną do celów grzewczych i/lub ciepáej wody uĪytkowej. Istniejące obecnie na rynku firmy zajmujące siĊ kompleksową obsáugą inwestycji geotermicznych w tym zakresie (np. firma „Hibernatus”), pozwalają na szybkie zrealizowanie projektu z uwzglĊdnieniem indywidualnych potrzeb klienta. W tym zakresie wiĊc nie wystĊpują trudnoĞci w moĪliwoĞci wykorzystania tej formy energii niekonwencjonalnej do obsáugi cieplnej budynków, jeĪeli tylko potencjalny inwestor dysponuje odpowiednimi Ğrodkami finansowymi na ten cel. Wielkoskalowi odbiorcy ciepáa w postaci caáych osiedli czy miast, zasilani są zazwyczaj z centralnych ciepáowni wchodzących w skáad miejskich przedsiĊbiorstw energetyki cieplnej. Wykorzystanie energii geotermicznej w postaci energii geotermalnej wód podziemnych, dla tego typu odbiorców 79 Podsumowanie wielkoskalowych, wymaga szerszej analizy techniczno – ekonomicznej, niĪ w przypadku odbiorców indywidualnych. Gáównymi czynnikami decydującymi o moĪliwoĞci wykorzystania energii geotermalnej są warunki podziemne oraz naziemne, determinujące celowoĞü inwestycji geotermalnych. PrzystĊpując do opracowania koncepcji wykorzystania energii geotermalnej w ciepáowniach lub elektrociepáowniach, naleĪy kaĪdorazowo i indywidualnie dla konkretnej lokalizacji przyszáego zakáadu geotermalnego, dokonaü szczegóáowej analizy, w tym przede wszystkim: - dokonaü oceny zasobów energii geotermalnej na danym terenie pod kątem jej przydatnoĞci do celów grzewczych (gáĊbokoĞü wystĊpowania warstwy wodonoĞnej, wielkoĞü zasobów, temperatura i wydajnoĞü wód, itp.), - oceniü czy w miejscu planowanej ciepáowni istnieją odbiorcy ciepáa, a jeĪeli tak to jakie są ich potrzeby energetyczne i moĪliwoĞci ich przystosowania do geotermalnej sieci cieplnej, - dokonaü wyboru ukáadu ciepáowni geotermalnej ze wzglĊdu na potrzeby energetyczne odbiorców (ukáad monomalentny, biwalentny, lub kombinowany), - oceniü moĪliwoĞci wykorzystania wody powracającej z obiegu sieciowego (posiadającej jeszcze odpowiednio wysoką temperaturĊ) do innych celów np. rekreacji, agrotermii, lecznictwa. W celu uzyskania wysokiej efektywnoĞci przedsiĊwziĊcia geotermalnego naleĪy przede wszystkim: - zadbaü o odpowiednie wykorzystanie entalpi wydobywanej wody geotermalnej (równieĪ poza sezonem grzewczym), poprzez jej kaskadowe wykorzystanie do róĪnych celów, - dąĪyü do obniĪenia temperatury wody sieciowej powracającej z instalacji wewnĊtrznej odbiorców, co zapewnia z kolei odpowiednio niską temperaturĊ zatáaczanej wody geotermalnej, - dobraü odpowiedni system geotermalny, a w przypadku niewystarczającej iloĞci energii z niego pozyskiwanej, zadbaü o dodatkowe Ĩródáo szczytowe, 80 Podsumowanie - w sieci ciepáowniczej stosowaü regulacje typu iloĞciowo – jakoĞciowego, z temperaturą wody sieciowej uzaleĪnionej od warunków zewnĊtrznych. Zasadniczymi barierami ograniczającymi obecne wykorzystanie energii geotermicznej są przede wszystkim znaczne nakáady finansowe ponoszone w trakcie realizacji takich inwestycji, oraz wciąĪ jeszcze maáa ĞwiadomoĞü spoáeczeĔstwa o moĪliwoĞciach wykorzystania geotermii w róĪnych dziedzinach Īycia. Bariery są jednak po to aby je pokonywaü. Niewielkie koszty eksploatacyjne związane z pozyskiwaniem energii geotermalnej, oraz szerokie moĪliwoĞci uzyskania dotacji i preferencyjnych poĪyczek z wielu instytucji wspierających inwestycje proekologiczne, znacznie skracają czas zwrotu nakáadów inwestycyjnych. W poáączeniu zaĞ z szeroko rozumianą edukacją proekologiczną i wsparciem rządu, mogą staü siĊ przyczyną wiĊkszego zainteresowania potencjalnych inwestorów, wyraĪających chĊü realizacji projektów geotermalnych w Polsce. 81 DODATKI Zasoby i moĪliwoĞci wykorzystania... A. Zasoby i moĪliwoĞci wykorzystania wód geotermalnych w Maáopolsce – zarys. A.1. WystĊpowanie wód geotermalnych w Maáopolsce Na obszarze Maáopolski wystĊpują wody podziemne zlokalizowane na obszarze piĊciu jednostek geologicznych (rys.A.1.) zróĪnicowanych pod wzglĊdem ksztaátujących je procesów tektonicznych i sedymentacyjnych: x Karpaty, x Zapadlisko przedkarpackie, x Niecka miechowska, x Monoklina Ğląsko – krakowska, x Zapadlisko górnoĞląskie. Rys. A.1. Gáówne jednostki geologiczne województwa maáopolskiego ħródáo: [1] 83 Zasoby i moĪliwoĞci wykorzystania... Wody w zbiornikach wystĊpujące w obrĊbie rozmieszczonych w tych wielu jednostek, bardzo zlokalizowane zróĪnicowanych są piĊtrach hydrogeologicznych: x paleozoicznych (dewon, karbon), x mezozoicznych (trias, jura, kreda), x trzeciorzĊdowych (miocen, paleogen), x czwartorzĊdowych. Parametry wód w obrĊbie poszczególnych zbiorników tj: temperatura, wydajnoĞü, mineralizacja, gáĊbokoĞü wystĊpowania – decydują o ewentualnej przydatnoĞci tych wód w geotermi, gdzie praktycznego znaczenia nabierają wody o temperaturze powyĪej 20 °C i o wydajnoĞci powyĪej 50 m3/h [27_c]. Analizując wody geotermalne zlokalizowane w zbiornikach poszczególnych piĊter hydrogeologicznych (tab.A.1.), moĪna zauwaĪyü duĪe zróĪnicowanie tych parametrów, nawet w obrĊbie tego samego piĊtra, dlatego teĪ praktyczne wykorzystanie wód na obszarze Maáopolski ma raczej lokalny charakter. Wyjątek stanowi tutaj triasowy zbiornik podhalaĔski ze wzglĊdu na swoje szczególne wáaĞciwoĞci. Tab. A.1. Gáówne parametry geotermalne róĪnych piĊter hydrogeologicznych Maáopolski. Szacowana temp. Szacowana GáĊbokoĞü 3 wypáywu [°C] wydajnoĞü [m /h] 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 ÷ 3000 ħródáo: Zestawienie wáasne na podstawie [1] Bardzo waĪną cechą decydującą o moĪliwoĞci praktycznego wykorzystania wód geotermalnych w ciepáownictwie, jest równieĪ niezmiennoĞü w dáuĪszym okresie czasu (20 – 30 lat [27_d]) ich parametrów eksploatacyjnych. Ze wzglĊdu na powyĪszy fakt, w Maáopolsce, dla lepszego opracowano zobrazowania mapĊ zasiĊgów sytuacji hedrogeotermalnej horyzontów wodonoĞnych 84 Zasoby i moĪliwoĞci wykorzystania... rozmieszczonych na tle gáównych jednostek geologicznych, co pokazano na rys. A.2. Zbiornik cenomaĔski Zbiornik doggerski Zbiornik podhalaĔski NasuniĊcie Karpat Rys. A.2. ZasiĊgi gáównych horyzontów wodonoĞnych na obszarze Maáopolski. ħródáo: [27_d] Charakterystyka poszczególnych zbiorników wodonoĞnych na terenie województwa maáopolskiego: 1. Zbiornik cenomaĔski – obszarem swym obejmuje rejon niecki miechowskiej i przedgórza Karpat. Charakterystyczną cechą tego zbiornika jest to , Īe wystĊpujące tutaj wody są sáabo zmineralizowane i czĊsto są to wody sáodkie. W obszarze karpackim horyzont cenomaĔski zalega w rejonie Dobczyc i Sieprawia w powiecie myĞlenickim oraz w okolicy Nowego WiĞnicza, àąkty, Poáomia DuĪego i Kamyka (pow. Bochnia). GáĊbokoĞü wód w karpackiej strefie cenamonu zmienia siĊ od 1500 m (rejon Dobczyc) do 2300 m w rejonie àąkty, gdzie stwierdzono wody o temp. okoáo 70 °C. Przedgórze karpackie charakteryzuje siĊ korzystnymi parametrami 85 Zasoby i moĪliwoĞci wykorzystania... geotemalnych wód cenomaĔskich na obszarach takich jak: rejon Niepoáomic, Grobli, Kocmyrzowa, Bochni, BrzeĨnicy i Brzeska. Bardzo dobre warunki wystĊpują równieĪ w strefie od obszaru gminy Rzezawa (66 m3/h – samowypáyw z gáĊbokoĞci ok. 1100 m) na póánoc poprzez gminĊ Szczurowa (pow. Brzeski) w kierunku Koszyc (pow. Proszowice). Strefa ta zahacza o rejon Woli Rogowskiej (pow. tarnowski). GáĊbokoĞci zbiornika cenomaĔskiego na obszarze przedgórza wahają siĊ od 200 metrów w rejonie Kocmyrzowa do 1000 metrów w rejonie Rzezawy, co wskazuje Īe zakres moĪliwych do uzyskania temperatur bĊdzie wynosiá od 20 do 30 °C. NajwiĊkszy zasiĊg zbiornika cenomaĔskiego znajduje siĊ w rejonie Niecki miechowskiej, gdzie szczególnie interesujące dla geotermii są rejony: Sáomnik – gdzie mimo niskiej temperatury (ok. 18°C) wystĊpują wody o duĪej wydajnoĞci samowypáywu 50m3/h oraz znikomej mineralizacji 0,2 g/dm3, oraz KsiĊĪa Wielkiego, Racáawic, Uniejowa, Tarnowa, gdzie obserwowano samowypáywy wód o niskiej mineralizacji i temperaturze ok. 35 ÷ 40 °C [27_c]. 2. Zbiornik doggerski – obejmuje monoklinĊ Ğląsko – krakowską, czĊĞü niecki miechowskiej, oraz licznymi „odnóĪami” zachodzi na obszar przedgórza karpackiego. WystĊpujące tutaj wody posiadają znacznie niĪsze wydajnoĞci niĪ w zbiorniku cenomaĔskim i wynoszą przewaĪnie kilkanaĞcie m3/h. Interesujące parametry geotermalne wód doggeru wystĊpują na obszarze przedgórza Karpat w rejonie Woli Zabierzowskiej k/Niepoáomic, oraz w rejonie Rzezawy i BrzeĨnicy (pow. bocheĔski). WydajnoĞci wód są maáe a gáĊbokoĞci horyzontu wodonoĞnego wahają siĊ od 500 metrów w okolicy Kocmyrzowa, do 1900 metrów w rejonie BrzeĨnicy, a temperatury wynoszą od 20 do 30°C. W powiecie tarnowskim w okolicy ĩabna i Radáowa wystĊpują bardziej interesujące utwory doggerskie, gdzie w wykonanych otworach stwierdzono na gáĊbokoĞciach okoáo 2000 metrów wody o temperaturze ok. 55°C, ale silnie zasolone (ok. 100 g/dm3) [27_c]. 3. Zbiornik podhalaĔski – jest najbardziej spektakularnym zbiornikiem wód geotertmalnych na obszarze podhalaĔskiego, związana jest Maáopolski. z bardzo UnikalnoĞü korzystnymi zbiornika warunkami geotermalnymi wystĊpującymi na caáym obszarze niecki podhalaĔskiej, w szczególnoĞci w horyzontach eocenu i triasu – gdzie wody geotermalne charakteryzują siĊ duĪą stabilnoĞcią parametrów hydrotermalnych. 86 Zasoby i moĪliwoĞci wykorzystania... Horyzonty eocenu i triasu zawierają wody termalne o temperaturze przekraczającej miejscami 90°C ( rejon Chochoáowa ) i wydajnoĞci do okoáo 550 m3/h ( rejon BaĔskiej – NiĪnej ). Są to wody znajdujące siĊ w warunkach artezyjskich, samoczynnie wypáywające na powierzchniĊ pod ciĞnieniem ok. 0,5 ÷ 2,5 MPa, a ich mineralizacja na gáĊbokoĞci do 3000 metrów nie przekracza 3 g/dm3. Szczegóáowa charakterystyka niecki podhalaĔskiej, ze wzglĊdu na swoje unikalne warunki geotermalne zostanie przedstawiona w dodatku B. A.2. Wytypowane strefy do wykorzystania energii geotermalnej Badania nad moĪliwoĞcią wykorzystania energii wód geotermalnych na obszarze Maáopolski byáy prowadzone przez Polską AkademiĊ Nauk w Instytucie Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią i opublikowane w 2003 roku w opracowaniu pt. „WystĊpowanie i moĪliwoĞci zagospodarowania energii geotermalnej w Maáopolsce”. Zakres prac obejmowaá badania hydrogeologiczne warunków wystĊpowania i eksploatacji wód i energii geotermalnej w basenach sedymentacyjnych Maáopolski. Zasadniczym celem pracy byáa identyfikacja poziomów wód, które mogą byü wykorzystane jako Ĩródáo ciepáa w róĪnych zastosowaniach tj. ciepáownictwo, rekreacja, lecznictwo. W wyniku przeprowadzonej w pracy [1] charakterystyki poszczególnych zbiorników geotermalnych hydrogeologicznych, opracowano rozmieszczonych w róĪnych piĊtrach szczegóáowe zestawienie stref planowanego wykorzystania energii geotermalnej na obszarze maáopolski, w postaci szeregu map i tabel. àącznie w wyniku przeprowadzonych analiz, wyznaczono 92 strefy z potencjalną moĪliwoĞcią wykorzystania wód geotermalnych. Wyznaczone strefy charakteryzują siĊ duĪą róĪnorodnoĞcią jeĪeli chodzi o takie parametry jak: temperatura wody, wydajnoĞü eksploatacyjna, gáĊbokoĞü wystĊpowania, mineralizacja (od wody sáodkiej do solanki) i ciĞnienie wypáywu. Wymienione parametry w zasadniczy sposób wpáywają na koszty inwestycyjne przedsiĊwziĊü geotermalnych, dlatego teĪ, pod wzglĊdem ekonomicznym wĞród wytypowanych obszarów, byáy i bardzo opáacalne jak i zupeánie nieekonomiczne. Z poĞród wszystkich 92 stref, wybranych zostaáo 19 o szczególnie korzystnych warunkach lokalnych wykorzystania energii geotermalnej, dla których 87 Zasoby i moĪliwoĞci wykorzystania... przeprowadzono szersze analizy ekonomiczne – dla róĪnych wariantów zagospodarowania energii wód termalnych (tab.A.2.). Gáównymi parametrami które zostaáy uĪyte do oceny kaĪdej ze stref wg [1] byáy: x szacowane wydajnoĞci wód, x szacowana temperatura na wypáywie, x warunki hydrogeologiczne: artezyjskie lub subartezyjskie, determinujące uĪycie pomp gáĊbinowych, x gáĊbokoĞü zalegania stropu horyzontu wodonoĞnego (co ma decydujący wpáyw na koszty wykonania ujĊcia otworowego), x rodzaj odwiertu (parametr decydujący o kosztach wykonania ujĊcia otworowego), Orientacyjna cena 1mb otworu zaleĪnie od jego gáĊbokoĞci wynosi: - do 300 m = 1100 zá/mb, - 300 ÷ 500 m = 2000 zá/mb, - poniĪej 500 m = 2200 zá/mb, x jakoĞü wód: solanka lub woda sáodka – ma wpáyw na sposób wykorzystania wód scháodzonych: dla solanki system dwuotworowy (eksploatacyjno – cháonny) lub dla wody sáodkiej system jednootworowy, ze zrzutem wód do sieci wodociągowej lub do cieków powierzchniowych, x szacowana moc cieplna optymalnego odwiertu eksploatacyjnego: przy scháodzeniu wód do temp. 25°C (bez zastosowaniu pomp ciepáa) i przy scháodzeniu do 10°C (z zastosowaniem pomp ciepáa), rzutująca na szacowane koszty inwestycyjne, x szacowane zasoby dyspozycyjne energii cieplnej w dwóch wariantów wyliczeĔ: - max. – przy scháodzeniu do 10°C i 40% wykorzystaniu peánej mocy (np. c.o. + c.w.u. + obiekty ogrodnicze), - min. – przy scháodzeniu do 25°C i 26% wykorzystaniu peánej mocy (np. c.o. dla obiektów basenowych caáorocznych), x szacowane koszty inwestycyjne na wykonanie instalacji opartej o ogólny ukáad jedno – lub dwuotworowego ujĊcia pokazany na (rys.A.3.) (otwór cháonny alternatywny). 88 Zasoby i moĪliwoĞci wykorzystania... Skáadają siĊ na koszty: - odwiertu lub odwiertów (wg wczeĞniej okreĞlonego rodzaju odwiertu i gáĊbokoĞci zalegania horyzontu wodonoĞnego), - wymienników (wg oszacowanej mocy cieplnej), - pomp otworowych (wg ocenionych ciĞnieĔ záoĪowych), - pomp obiegowych, rurociągów (wg wskaĨnika 500 zá/mb rurociągu o dáugoĞci: 1000 m dla ukáadu dwuotworowego i 500 m dla ukáadu jednootworowego), - budynku, przyáącza energetycznego, projektu, systemu pomp ciepáa, x szacowane ceny 1GJ energii cieplnej loco zakáad (bez sieci dystrybucyjnej i modernizacji instalacji u odbiorców) w wersji min. i max. zaleĪnie od stopnia scháodzenia wód. W analizie zaáoĪono: x pokrycie nakáadów inwestycyjnych w proporcji: - 20% Ğrodki wáasne, - 50% dotacje, - 30% kredyt ze spáatą 17 lat i oprocentowaniu 8%, x amortyzacjĊ na poziomie 4,5%, x koszty funkcjonowania instalacji Rys. A.3. Schemat ogólnej instalacji do produkcji energii geotermalnej ħródáo: [1] 89 90 Tab. A.2. Zestawienie energetyczno – ekonomiczne 19 optymalnych stref zagospodarowania wód termalnych na obszarze Maáopolski ĩukowice Poronin PorĊba Radáów Wielka BochniaZawadaCikowice àĊkawica KrakówNieczajnaPrzylasek ZdĪary Furmanowa KrakówBukowina BieĪanów TatrzaĔska àĊkawica Chochoáów Nowe 61 12 67 50 82 30 63 60 45 44 45 40 25 90 150 70 30 190 60 90 50 40 70 30 75 50 subart artez. artez subart. artez subart. artez artez subart. subart. subart. subart subart Szacowana Lokalizacja Szacowana Szacowana Warunki Lokalizacja Szacowana Warunki temp. temp. obiektów wydajnoĞü hydroobiektów wydajnoĞü wypáywu hydrowypáywu geologiczne (stref) [m33/h] (stref) [m /h] geologiczne [°C] [°C] 91 1500 660 1400 300 2000 1800 1800 3200 1100 1800 120 2400 2000 GáĊbokoĞü GáĊbokoĞü poziomu poziomu [m] [m] istn brak nrek ow. brak brak rek. brak brak brak rek rek. now brak rek now now. now. rek istn. istn istn rek. rek. rek. istn eksp zatá eksp zatá (1) (1) Rodzaj Rodzaj odwiertu odwiertu solanka sáodka solanka solanka solanka sáodka(1,1) sáodka(1,2) solanka sáodka sáodka sáodka(1,4) sáodka JakoĞü JakoĞü wód wód (solanka – (solanka – woda woda sáodka) sáodka) 1310 0 1548 698 2037 931 3981 12606 349 873 0 3422 3771 25°C 25°C 0 4 405 692 760 28167 58586 1 893 308 31042 67396 2 102 828 max. max. (2) (2) SzacuSzacunkowy nkowy koszt koszt inwest. inwest. [zá] [zá] 2619 873 2770 1222 2910 1630 5552 12,80 26,36 16,88 11,77 18,66 11,48 10 044 12742 34946 429660 5748 15417 2 686 10 585 10778 33037 700900 0 11012 1 729 2,98 2,51 16,30 13,04 14,76 3,12 3,01 min. min. 55,13 - 44,55 29,88 26,83 69,01 5,23 3,92 94,78 30,52 5,40 5,35 max. max. Cena Cena energii energii loco zakáad loco zakáad [zá/GJ] [zá/GJ] 16766 36708 97 408 739 880 667 7665 20556 32766 70039 2 165 684 7186 17620 3 559 040 10376 20086 15924 5 277 056 1397 2874 17620 4 645 707 0 6 1397 349 4644 5343 10°C min. 10°C min. Moc cieplna Moc cieplna [kW] przy [kW] przy scháodzeniu scháodzeniu wód do: wód do: Zasoby Zasoby dyspozydyspozycyjne cyjne energii energii cieplnej cieplnej [GJ/rok] [GJ/rok] 92 Tab. A.2. cd. 50 100 Niepoáomice Racáawice 30 30 55 24 60 13 [°C] wypáywu temp. Szacowana artez artez subart. artez. subart. subart. geologiczne hydro- Warunki 900 880 2000 650 1800 200 [m] poziomu GáĊbokoĞü rek rek. rek. rek. rek. now. brak brak rek. brak rek. brak eksp zatá (1) odwiertu Rodzaj sáodka sáodka solanka sáodka solanka sáodka sáodka) woda (solanka – wód JakoĞü 582 291 1746 0 2852 0 25°C 2328 1164 2619 2444 4074 594 (1) - Koszt inwestycyjny obejmuje: odwierty, wymienniki, pompy otworowe i obiegowe, rurociągi. 7488 1 118 092 (2) [zá] inwest. koszt nkowy Szacu- 30835 2 186 653 4790 2395 29366 2 518 400 14638 2 139 867 14371 33037 7 652 367 0 23473 51391 7 502 200 0 max. [GJ/rok] cieplnej 10°C min. wód do: energii cyjne [kW] przy scháodzeniu dyspozy- Moc cieplna Zasoby (1) - Rodzaj odwiertu: istn. – istniejący, rek. – do rekonstrukcji, now. – do wykonania, brak – nie potrzebny 50 Brzesko ħródáo: [1] 150 70 170 [m /h] 3 wydajnoĞü Tropiszów Tarnowiec Tarnów- Zesáawice Kraków- (stref) obiektów Lokalizacja Szacowana 92 6,35 10,34 13,97 5,53 9,18 12,10 min. 33,80 58,24 30,81 - 18,91 - max. [zá/GJ] loco zakáad energii Cena 92 Tab. A.2. cd. Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu B. Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu Podhale jest unikatowym w skali Polski regionem o wyjątkowych walorach turystycznych, krajoznawczych i wypoczynkowych. RównoczeĞnie obszar ten dysponuje niezwykle korzystnymi warunkami eksploatacyjnymi wód geotermalnych zlokalizowanych w karpackim subbasenie podhalaĔskim. Zbiornik podhalaĔski jest najbardziej spektakularnym zbiornikiem wód geotermalnych na obszarze Maáopolski. WystĊpujące tutaj zasoby wód charakteryzują siĊ bardzo korzystnymi warunkami geotermalnymi tj. temperaturą, mineralizacją, wydajnoĞcią i ciĞnieniem – wystĊpującymi na niemal caáym obszarze niecki podhalaĔskiej a w szczególnoĞci w wodonoĞnych horyzontach eocenu i triasu – gdzie wody termalne wyróĪniają siĊ duĪą stabilnoĞcią parametrów geotermalnych. Podziemne wody geotermalne, jako czysty ekologicznie noĞnik energii, mogą odegraü waĪna rolĊ w regionie Podhala. Wykorzystane w ciepáownictwie przyczyniają siĊ do polepszenia stanu powietrza , poprzez znaczne obniĪenie emisji szkodliwych gazów do atmosfery (CO2, SO2, NOX). Z kolei wykorzystanie wód geotermalnych w lecznictwie i rekreacji z pewnoĞcią podniesie rangĊ oferty turystycznej Podhala, dając nowy impuls do rozwoju regionalnej gospodarki i przedsiĊbiorczoĞci. Reasumując – wody geotermalne moĪna Ğmiaáo nazwaü naturalnym bogactwem Podhala, które w przyszáoĞci staü siĊ mogą wielką szansą na szybki rozwój tego regionu. B.1. Charakterystyka geotermalna niecki podhalaĔskiej. PojĊcie „niecka podhalaĔska” jest uĪywana do okreĞlenia struktury rozciągającej siĊ miĊdzy pieniĔskim pasem skaákowym na póánocy i Tatrami na poáudniu ( rys. B.1.). Na stosunki hydrogeologiczne niecki podhalaĔskiej decydujący wpáyw wywiera masyw tatrzaĔski, który jest gáównym obszarem zasilania tej struktury wodami geotermalnymi, natomiast pieniĔski pas skaákowy uwaĪany jest za nieprzepuszczalną barierĊ zamykającą od póánocy obszar niecki Rejon niecki podhalaĔskiej stanowi fragment wiĊkszego systemu geotermalnego, którego pozostaáa czĊĞü leĪy na Sáowacji. W granicach Polski 93 Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu powierzchnia tego obszaru wynosi okoáo 475 km2 a jego szerokoĞü zmienia siĊ w zakresie od 14 km na zachodzie do 18 km na wschodzie [6]. PIENIĘSKI PAS NIECKA PODHALAĘSKA Pow. ok. 475 km2 Rys. B.1. Usytuowanie niecki podhalaĔskiej ħródáo: [28] zmodyfikowane WystĊpujący w strukturze niecki poziom wodonoĞny, na którym bazuje praktyczne wykorzystanie wód, znajduje siĊ w zlepieĔcach wĊglanowych i wapieniach eocenu Ğrodkowego oraz w wapieniach i dolomitach triasu Ğrodkowego. Zalegające tutaj wody znajdują siĊ na gáĊbokoĞci od kilkuset metrów do 1,5 km w rejonie Zakopanego i od 2,5 do 3,5 km w póánocnej czĊĞci Podhala (rejon BaĔskiej NiĪnej i Chochoáowa) [6], [26_c]. Temperatury wód wypáywających z wykonanych odwiertów rosną w miarĊ przesuwania siĊ z poáudnia ku póánocy i tak w rejonie przytatrzaĔskim wynoszą 20 – 40 °C, poprzez okoáo 60 °C w rejonie Furmanowej, Poronina, Bukowiny TatrzaĔskiej, do ponad 80 °C w rejonie Biaáego Dunajca, BaĔskiej NiĪnej i Chochoáowa [8]. Zatwierdzone wydajnoĞci wód (na podstawie badaĔ J. Sokoáowskiego) z poszczególnych otworów są róĪne z tendencją (podobnie jak temperatury) 94 Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu zwyĪkową ku póánocy. Np. w rejonie Zakopanego wynoszą 50 m3/h ÷ 80 m3/h a juĪ w otworach wykonanych w BaĔskiej NiĪnej IG – 1 i PGP – 1 odpowiednio: 120 m3/h i 550 m3/h, a ich wypáywy są samoczynne przy ciĞnieniu wód na gáowicach otworu dochodzących do ok. 2,5 MPa. Obszar Podhala uwzglĊdniony zostaá na wgáĊbnych mapach rozkáadu temperatur zestawionych dla obszaru Polski przez S. PlewĊ i innych w 1992 r. Wedáug poczynionych prac ustalono Īe Ğredni gradient geotermiczny obliczony dla niecki podhalaĔskiej i jej podáoĪa waha siĊ w zakresie 1,9 ÷ 2,1 °C/100m, przy czym w szczególnoĞci we fliszu niecki osiąga 2,3 – 2,8 °C/100m ( Ğredni dla Karpat – 2,35 °C/100m ). Z kolei strumieĔ cieplny zostaá oszacowany na 55,6 mW/m2 w otworze Zakopane IG – 1 i 60,2 mW/m2 w otworze BaĔska IG – 1 [6] , [11]. Mineralizacja wód jest ogólnie niska ale zmienna, co jest spowodowane tym Īe poszczególne pietra wodonoĞne niecki podhalaĔskiej przedzielone są warstwą izolującą utworów iáowcowo – muáowcowych – co doprowadziáo do wyraĨnego zróĪnicowania hydrochemicznego wód górnego i dolnego piĊtra. Wody naleĪące do górnego piĊtra wodonoĞnego w czĊĞci poáudniowej i Ğrodkowej Podhala, charakteryzują siĊ niską mineralizacją w zakresie 0,2 g/dm3 do 0,4 g/dm3 i są to gáównie wody o typie wodorowĊglanowo – wapniowo – magnezowym (HCO3 – Ca – Mg), lub wodorowĊglanowo – siarczanowo – wapniowo – magnezowym (HCO3 – SO4 – Ca – Mg). W dolnym piĊtrze wodonoĞnym w czĊĞci Ğrodkowej i póánocnej gáównego poziomu geotermalnego wystĊpują wody o mineralizacji okoáo 3 g/dm3, reprezentujące przewaĪnie typ siarczanowo – wodorowĊglanowo – 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. Początek badaĔ geologicznych Podhala i naukowego zainteresowania ciepáymi wodami siĊga poáowy XIX wieku, kiedy to w 1844 r. Ludwik Zajszner odkryá i opisaá Ĩródáo w Jaszczurówce, z którego wypáywająca samoczynnie woda miaáa temperaturĊ ok. 20 °C. Ciepáe Ĩródáo w Jaszczurówce (obecnie jedna z dzielnic Zakopanego) w XIX wieku, byáo miejscem z którego dobroczynnych wáaĞciwoĞci korzystali miejscowi górale. W okresie miĊdzywojennym XX wieku 95 Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu cieplica Jaszczurówka byáa bardzo popularnym miejscem wypoczynku i kuracji zdrowotnych. Od ponad 30 lat wody o temperaturze 26 i 36 °C, wydobywane z odwiertów na Anataáówce w Zakopanem zasilaáy basen rekreacyjny, w którego miejsce od 2001 r. budowany jest park wodny o charakterze wypoczynkowo – leczniczym . Prace wiertnicze na obszarze niecki podhalaĔskiej rozpoczĊto w 1959 r. Promotorem tych prac byá prof. Stanisáaw Sokoáowski, który przedstawiá pierwsze plany prac badawczo – poszukiwawczych na Podhalu, uwzglĊdniając w nich równieĪ problem wód geotermalnych i ich zagospodarowania (rys. B.2.). Ɣ - Otwory wiertnicze z wodami geotermalnymi ż - Pozostaáe otwory wiertnicze Rys. B.2. Lokalizacja otworów wiertniczych na terenie niecki podhalaĔskiej ħródáo [8] Niektóre proponowane lokalizacje geotermalnych oĞrodków rekreacyjnych i leczniczych 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 ĩleb S – 1, 8 – Staników ĩleb S – 2, 9 – Siwa Woda IG – 1, 10 – BaĔska IG – 1, 11 – Biaáy D. PAN – 1, 12 – Poronin PAN – 1, 13 – Furmanowa PIG – 1 14 – Chochoáów PIG – 1, 15 – Buk. Tatrz. PIG – 1, 16 – Maruszyna IG – 1 17 – Nowy Targ 96 Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu Pierwszy otwór w tymĪe 1959 r. pod kierownictwem J. GoáĊbia, wykonano wáaĞnie obok Ĩródáa w Jaszczurówce. Prace te jednak nie przyniosáy oczekiwanych rezultatów, bowiem na gáĊbokoĞci otworu 20 m uzyskano wodĊ o temp. 22,7 °C, jednak na wiĊkszej gáĊbokoĞci temperatura zaczĊáa siĊ obniĪaü, czego przyczyną byá dopáyw szczelinami zimnych wód potoku Olczyskiego [6]. RozpoczĊte w 1961 r. prace nad odwiertem Zakopane IG – 1 moĪna uznaü za początek „ery geotermalnej” na Podhalu, byáo to bowiem pierwsze wiercenie z którego uzyskano dopáyw wód geotermalnych. Fakt ten przyczyniá siĊ do szerszego zainteresowania moĪliwoĞcią wykorzystania wód geotermalnych i zaowocowaá dalszymi pracami poszukiwawczymi, które ze wzglĊdu na swój charakter moĪna podzieliü na kilka charakterystycznych okresów, co przedstawia tab. B.1. W sumie w ciągu blisko 40 – stu lat, poczynając od roku 1959 do 1998, wykonano na teranie Podhala 19 otworów, przy czym w 12 z nich odkryto zasoby wód geotermalnych o korzystnych parametrach záoĪowych (tab. B.2.) Gáówne prace wiertnicze zostaáy zrealizowane przez PaĔstwowy Instytut Geologiczny, Instytut Surowców Energetycznych Akademii Górniczo – Hutniczej, Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo, oraz Centrum Podstawowych Problemów Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN (przemianowany w 1997 r. na Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN), z wyjątkiem dwóch ostatnich otworów które w latach 1996 – 1998 wykonaáo PEC Geotermia PodhalaĔska S.A. 97 Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu Tab. B.1. Gáówne etapy prac wiertniczych na Podhalu i uzyskane efekty. Okres [lata] Wykonane prace Wykonanie otworu 1961 – 1963 Zakopane IG – 1 - Wykonanie 9 otworów: Zakopane 2, Staników ĩleb S – 1, Staników ĩleb S – 2, Hruby Regiel 1964 – 1986 2, Hruby Regiel IG – 2, Hruby Regiel 3, Siwa Woda IG – 1, Zazadnia IG – 1, Skocznia IG –1. Wykonanie gáĊbokiego otworu badawczego BaĔska IG – 1 1979 – 1981 Wykonanie 5 gáĊbokich otworów badawczych i eksploatacyjnych: Biaáy Dunajec PAN – 1, Poronin PAN – 1, Furmanowa PIG – 1, Chochoáów PIG – 1, 1988 – 1992 Bukowina TatrzaĔska PIG/PNiG – 1. Wykonanie 2 otworów: 1996 – 1998 BaĔska PGP – 1, Biaáy Dunajec PGP – 2. - OsiągniĊte efekty pierwszy otwór z którego uzyskano dopáyw wód geotermalnych, geologiczne rozpoznanie podáoĪa w rejonie Zakopanego. uzyskano z niektórych otworów dopáyw wód geotermalnyvh, geologiczne rozpoznanie poáudniowego skrzydáa niecki podhalaĔskiej. - stwierdzenie zasobów wód geotermalnych o korzystnych parametrach záoĪowych i eksploatacyjnych, - wstĊpne oszacowanie potencjaáu geotermalnego niecki podhalaĔskiej, - powyĪsze odkrycia staáy siĊ podstawą do opracowania „Projektu badaĔ geologicznych okreĞlających zasoby i warunki eksploatacyjne surowców energetycznych w niecce podhalaĔskiej” ( J. Sokoáowski i inni 1985 ) Rozpoznanie centralnego i póánocnego fragmentu niecki podhalaĔskiej: - rozpoznanie geologiczne, - rozpoznanie záoĪowe i potwierdzenie faktu istnienia wydajnego poziomu wodonoĞnego w utworach eocenu numulitowego, - rozpoczĊcie prac badawczo – rozwojowych związanych z zaprojektowaniem, uruchomieniem i przyáączeniem do geotermalnej sieci grzewczej pierwszych obiektów i odbiorców – Początek wykorzystania geotermii do celów ciepáowniczych. - rozbudowa sieci ciepáowniczej i przyáączenie kolejnych odbiorców. ħródáo: Zestawienie wáasne na podstawie [6], [26_c]. 98 99 1961 – 1963 1975 * * 1979 – 1981 1989 1989 1990 1990 1992 1997 1998 Zakopane IG – 1 Zakopane Zakopane 2 Zakopane Siwa Woda IG – 1 D.Chochoáowska Zazadnia IG – 1 Maáe Ciche BaĔska IG – 1 Biaáy Dunajec Biaáy Dunajec PAN – 1 Biaáy Dunajec Poronin PAN – 1 Poronin Chochoów PIG – 1 Chochoáów Furmanowa PIG – 1 Furmanowa Bukowina Tatrz. PIG/PNiG – 1 Bukowina Tatrz. BaĔska PGP – 1 BaĔska Biaáy Dunajec PGP – 2 Biaáy Dunajec ħródáo: [27_d] - zmodyfikowane Rok wyk. otworu Nazwa otworu MiejscowoĞü 2450,0 2731,0 3780,0 2324,0 3572,0 3003,0 2394,0 5261,0 680,0 856,0 1113,0 3073,2 GáĊbokoĞü otworu [m] 175,0 180,0 60,0 96,0 190,0 90,0 270,0 120,0 29,6 3,95 273,0 169,2 WydajnoĞü [m3/h] 86 86 67 60,5 82 63 82 82 22 20 26 37 Temp. na wypáywie [°C] Charakterystyka piĊtra wodonoĞnego 2,7 3,12 1,49 0,58 1,24 1,14 2,62 2,69 0,19 0,426 0,326 0,363 suma ská. st [g/dm3] SO4-Cl-Na-Ca SO4-Cl-Na-Ca SO4-Cl-Na-Ca HCO3-Na-Ca SO4-Ca-Na SO4-HCO3-Cl-Na-Ca SO4-Cl-Na-Ca SO4-Cl-Na-Ca HCO3-SO4-Ca-Mg HCO3-SO4-Mg-Na HCO3-Ca-Mg HCO3-SO4-Ca-Mg-Na Typ Chemizm wód Tab. B.2. Gáówne parametry hydrogeologiczne odwiertów z udokumentowanymi wodami termalnymi otwór cháonny 550,0 90,0 190,0 90,0 otwór cháonny 120,0 25,1 4,0 80,0 50,0 Zatwierdzone zasoby [m3/h] 100 Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu B.3. Geotermalny system ciepáowniczy na Podhalu B.3.1. Geneza projektu Wykorzystanie wód geotermalnych do ogrzewania budynków mieszkalnych na Podhalu, zapoczątkowaáo zaáoĪenie w latach 1989 – 1993 pierwszego w Polsce DoĞwiadczalnego Zakáadu Geotermalnego w BaĔskiej NiĪnej – Biaáym Dunajcu, którego inicjatorem byá Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk w Krakowie. W okresie tym nastąpiáo przyáączenie pierwszych budynków wsi BaĔska – NiĪna do ciepáowniczej sieci geotermalnej, której produkcja ciepáa oparta byáa o dublet geotermalny : BaĔska – IG 1 i Biaáy Dunajec – PAN 1. PrzedsiĊwziĊcie to udowodniáo Īe ogrzewanie budynków ciepáem pochodzącym z wód geotermalnych jest technicznie moĪliwe. Kolejnym etapem byáo zaáoĪenie w grudniu1993 roku przez Narodowy Fundusz Ochrony ĝrodowiska i Gospodarki Wodnej, Geotermi PodhalaĔskiej S.A., która od tej pory przejĊáa dalszą inicjatywĊ w rozwoju geotermi na Podhalu, a Zakáad Geotermalny zostaá przeksztaácony w Laboratorium Geotermalne, który obecnie prowadzi prace badawcze oraz peáni rolĊ edukacyjną z zakresu energii geotermalnej. W rok po zaáoĪeniu Geotermi PodhalaĔskiej, wieĞ BaĔska NiĪna byáa juĪ w 100% zasilana ciepáem geotermalnym (c.o. i c.w.u.) a instalacja obejmowaáa ogóáem 203 budynki w tym koĞcióá i szkoáĊ. W roku 1995 ogólna iloĞü ciepáa sprzedawanego wyniosáa 18 TJ/rok. Rok 1996 to budowa Ciepáowni Geotermalnej w BaĔskiej NiĪnej, oraz zrealizowanie 3,5 km linii ciepáowniczej do Zakopanego i podáączenie 27 gospodarstw domowych w Biaáym Dunajcu. W roku 1997 powstaje kolejny dublet geotermalny oparty na otworach BaĔka NiĪna PGP – 1 oraz Biaáy Dunajec PGP – 2. Kolejny waĪny krok nastĊpuje w rok póĨniej, kiedy to nastĊpuje poáączenie PrzedsiĊbiorstwa Energetyki Cieplnej „Tatry” oraz Geotermii PodhalaĔskiej S.A., co owocuje powstaniem nowej spóáki o nazwie PEC Geotermia PodhalaĔska S.A. Rok 1998 to równieĪ uruchomienie kotáowni szczytowej w Zakopanem, zasilanej dwoma kotáami gazowymi o caákowitej mocy 20 MW. PrĊĪnie rozwijająca siĊ nowa spóáka, buduje w 1999 roku ponad 2200 mb sieci ciepáowniczych na terenie Zakopanego, oraz przyáącza nowych odbiorców, uzyskując sprzedaĪ ciepáa na poziomie 120 TJ/rok. Do koĔca 2001 roku wybudowano ponad 28 km sieci dystrybucyjnej w Zakopanem. Podáączono do sieci ciepáowniczej, ostatnią osiedlową kotáowniĊ 100 Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu wĊglowo – koksową, tym samym osiągniĊto jeden z celów Spóáki, jakim byáa konwersja komunalnych kotáowni koksowych i wĊglowych na wymiennikownie. ZakoĔczono budowĊ magistrali ciepáowniczej, áączącej CiepáowniĊ Geotermalną w BaĔskiej NiĪnej z Kotáownią Szczytową w Zakopanem, która zostaáa rozbudowana do mocy 40 MW. W czerwcu uruchomiono trzy silniki gazowe o áącznej mocy 1,5 MWe i 2,1 MWt, natomiast w grudniu uruchomiono kocioá gazowo – olejowy o mocy 16 MW. Na koniec 2001 roku ciepáo dostarczane obejmuje 188 odbiorców indywidualnych w BaĔskiej NiĪnej, 25 odbiorców indywidualnych w Biaáym Dunajcu, natomiast w Zakopanem – 75 odbiorców indywidualnych, 102 duĪych odbiorców i 122 bloki mieszkalne. Rok 2002 to rozbudowa sieci ciepáowniczej na terenie Zakopanego, gmin Biaáy Dunajec i Poronin. Po podáączenie kolejnych grup odbiorców, osiągniĊto sprzedaĪ ciepáa w wysokoĞci 250 TJ/rok. ZakoĔczono budowĊ Parku Wodnego w Zakopanem (stan surowy), oraz wykonano pierwszy odcinek sieci cieplnej w kierunku KoĞcieliska do Polany Szymoszkowej. Na koniec 2002 roku áączna dáugoĞü sieci cieplnych wyniosáa ponad 50 km. Do koĔca 2003 r. do geotermalnej sieci ciepáowniczej zostaáo podáączonych 459 odbiorców indywidualnych, 141 odbiorców wielkoskalowych, oraz 28 osiedlowych kotáowni wĊglowych i koksowych w Zakopanem. [27_g], [29]. B.3.2. Aspekt techniczny Scentralizowany system ciepáowniczy na Podhalu prowadzony obecnie prze PEC GeotermiĊ PodhalaĔską S.A. (rys. 8.3.), skáada siĊ z nastĊpujących elementów: x systemu geotermalnego, x sieci ciepáowniczej, x kotáowni szczytowej w Zakopanem, x ukáadu regulacji i sterowania, x instalacji wewnĊtrznej odbiorców. System geotermalny – obejmuje dwa otwory wydobywcze PGP – 1 i IG – 1, którymi eksploatowana jest gorąca woda geotermalna (TW = 84 ÷ 86 °C), oraz dwa otwory cháonne PGP – 2 i PAN – 1, którymi z kolei woda geotermalna po oddaniu ciepáa w páytowych wymiennikach ciepáa, jest z powrotem zatáaczana do záoĪa 101 Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu (TZ = ok. 45 °C). OdlegáoĞü pomiĊdzy obydwoma dubletami w linii prostej wynosi okoáo 1800 metrów. PomiĊdzy odwiertami wydobywczymi i zatáaczającymi, istnieje róĪnica ciĞnieĔ statycznych równa 6 Atm (ok. 600 kPa), co umoĪliwia uzyskanie samoistnego przepáywu wody geotermalnej o wydajnoĞci okoáo 100 m3/h. W przypadku wiĊkszego zapotrzebowania na ciepáo, moĪliwe jest zwiĊkszenie wydajnoĞci wydobycia wody geotermalnej, nawet do wartoĞci 550 m3/h (maksymalna wydajnoĞü otworu PGP – 1), przez uruchomienie dodatkowej pompy zabudowanej w ukáadzie geotermalnym. W ciepáowni geotermalnej BaĔska – Biaáy Dunajec, bĊdącej podstawowym Ĩródáem ciepáa w caáym systemie ciepáowniczym, znajduje siĊ piĊü páytowych wymienników ciepáa, o áącznej mocy 40 MWt (w planie 60 MWt po zrealizowaniu trzeciego dubletu). Rolą páytowych wymienników ciepáa jest przekazanie ciepáa wody geotermalnej, wodzie obiegu sieciowego. Sieü ciepáownicza – obejmuje áącznie ok. 70 km, z czego gáówny rurociąg z ciepáowni geotermalnej do Zakopanego liczy 15 km. Wykonanie sieci ciepáowniczej z rur preizolowanych, oraz wyposaĪonej w ukáad detekcji nieszczelnoĞci, znacznie ogranicza straty ciepáa, tak Īe w gáównym rurociągu na odcinku 15 km spadek temperatury wynosi tylko okoáo 3 °C. W planach jest równieĪ poprowadzenie rurociągu w kierunku Nowego Targu o dáugoĞci ok. 7 km, po rozbudowie ciepáowni geotermalnej. PoniewaĪ ukáad wody sieciowej „rozciaga” siĊ na przestrzeni róĪnych wysokoĞci terenu (od 671 ÷ 931 m.n.p.m.) , zostaá podzielony na strefy ciĞnieniowe, w celu zapewnienia odpowiedniej pracy ukáadu sieciowego wykonanego na ciĞnienie nominalne 16 bar (ok. 1,6 kP). W kierunku Zakopanego sieü podzielona zostaáa na strefĊ 2, 3 i 4, gdzie na zasilaniu wody sieciowej zastosowano przepompownie, a na powrocie wody sieciowej ukáady redukcji ciĞnienia. W planowanej czĊĞci ciepáociągu do Nowego Targu sytuacja bĊdzie odwrotna. bowiem na zasilaniu bĊdą znajdowaü siĊ reduktory ciĞnienia, a na powrocie przepompownie. W skáad magistrali ciepáowniczej wchodzą nastĊpujące elementy [29]: - pompownia wody sieciowej w Ciepáowni BaĔska – Biaáy 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 ukáadami redukcji cisnieĔ, - pompownia wody sieciowej z ukáadem redukcji ciĞnieĔ w Kotáowni Centralnej w Zakopanem 825 m.n.p.m (D) 102 Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu Dla utrzymania w sieci przesyáowej ciĞnienia poniĪej 16 barów zostaáo przyjĊte rozwiązanie separacji ciĞnieĔ. RóĪne czĊĞci ukáadu są poáączone hydraulicznie, ale pracują na róĪnych poziomach ciĞnieĔ, bez spadku temperatury. Usytuowanie i liczba przepompowni i stacji redukcji ciĞnieĔ, wynika z uksztaátowania terenu, oraz przyjĊtego zaáoĪenia o nie przekraczaniu spadku ciĞnienia w rurociągu gáównym 70 Pa/m. KaĪda z przepompowni wody sieciowej ma zapewniü odpowiednie ciĞnienie na wejĞciu do pompowni poáoĪonej wyĪej, natomiast reduktory ciĞnieĔ na wejĞciu do obiektów poáoĪonych niĪej danej stacji [29]. Interesującą i nowatorska sprawą, ale w peáni skuteczną w dziaáaniu, jest zastosowanie wymienników ciepáa jako ukáadów zabezpieczających w przypadku nagáej awarii systemu (np. braku zasilania, wypadniĊcia pomp) i niemoĪnoĞci utrzymania okreĞlonego poziomu ciĞnienia roboczego (max. 16 bar). Wbudowane w ukáad wymienniki ciepáa WC_Z1 i WC_Z2 (patrz rys. B.3.), posiadają odpowiednią konstrukcje zaworów i w przypadku duĪego uderzenia strugi wody peánią rolĊ oporu dla fali uderzenia hydraulicznego i przeciwdziaáają naprĊĪeniom cieplnym. Kotáownia szczytowa w Zakopanem – peáni rolĊ Ĩródáa dodatkowego pokrywającego obciąĪenie szczytowe systemu, w okresie kiedy ciepáo geotermalne nie bĊdzie w stanie pokryü caákowitego zapotrzebowania odbiorców. W budynku kotáowni znajdują siĊ: - dwa kotáy wodne o mocy 10 MW kaĪdy, zasilane gazem i wyposaĪone w ekonomizery o mocy 1MW kaĪdy, pozwalające odzyskaü ciepáo kondensacji pary wodnej zawartej w spalinach, - jeden kocioá z palnikiem dwufunkcyjnym umoĪliwiającym zasilanie gazem lub olejem opaáowym, o mocy 16 MW, - trzy silniki gazowe typu JMS 312 GS – BL, o áącznej mocy 1,6 MWe (3x540 kWe) i 2,1 MWt, (3x700 kWt) które wytwarzają ciepáo i energiĊ elektryczną w skojarzeniu, - ukáad uzdatniania wody sieciowej zapewniający jej wáaĞciwą jakoĞü o wydajnoĞci 35 m3/h, - trzy ukáady ekspansyjne zabezpieczające 3 i 4 strefĊ ciĞnieniową oraz system kotáowy, 103 Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu - pompy wody sieciowej o wydajnoĞci 3 x 250 m3/h z ukáadem redukcji ciĞnieĔ i ukáadem separacji. Ze wzglĊdu na róĪnicĊ ciĞnieĔ ukáadu kotáowego (6 bar) i ukáadu sieciowego (16 bar), istnieje separacja obydwu tych obiegów, przez zastosowanie páytowych wymienników ciepáa (WCS) o mocy 17 MW kaĪdy. Ukáad regulacji i sterowania – jest to ukáad typu iloĞciowo – jakoĞciowego, bowiem temperatura wody sieciowej jest uzaleĪniona od temperatury zewnĊtrznej. Uzyskanie odpowiedniej temperatury wody sieciowej odbywa siĊ poprzez, zmianĊ przepáywu wody, która z kolei odbywa siĊ dziĊki odpowiedniej pracy pomp sieciowych wyposaĪonych w przetwornice czĊstotliwoĞci. Sterowanie i monitoring systemu ciepáowniczego jest realizowany w sposób zintegrowany, dla wszystkich obiektów rozmieszczonych w obrĊbie systemu. Transmisja danych realizowana jest za pomocą kabla Ğwiatáowodowego uáoĪonego wzdáuĪ gáównego rurociągu sieciowego i geotermalnego, dziĊki czemu informacja uzyskana w jednym obiekcie, natychmiast dostĊpna jest dla innych. Automatyzacja geotermalnego systemu ciepáowniczego, realizowana jest przez system sterowania i zdalnej akwizycji danych – SCADA, którego struktura podzielona jest na nastĊpujące poziomy [29]: - poziom sprzĊtowy – który obejmuje elementy wykonawcze automatyki, tj. siáownik zaworów, silniki pomp, przetwornice zdalne ciĞnienia i temperatury, - poziom sterowania i akwizycji danych – realizowane w oparciu o ukáady mikroprocesorowe i realizujące (PLC), lokalne ciepáowniczego. odpowiedzialne algorytmy Przetwarzane za wynikające informacje są z przetwarzanie danych technologii systemu wysyáane do systemu nadrzĊdnego, gdzie jest moĪliwoĞü bezpoĞredniej wspóápracy uĪytkownika ze sterownikiem, - poziom operatorski – obejmuje stanowiska komputerowe z zainstalowanym oprogramowaniem, speániające funkcjĊ wizualizacji stanów pracy, wartoĞci mierzonych, zdalne sterowanie urządzeniami wykonawczymi, archiwizacji danych pomiarowych i sygnalizacji stanów alarmowych. Instalacje wewnĊtrzne odbiorców – uzaleĪniona jest od wielkoĞci odbiorców ciepáa którzy na potrzeby ciepáowni 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 Ğrednioskalowi – o zapotrzebowaniu mocy cieplnej od kilkunastu do 30 kW (pensjonaty, biura, szkoáy, itp.), - odbiorcy wielkoskalowi – o zapotrzebowaniu mocy cieplnej powyĪej 30 kW (obiekty ogrzewane w przeszáoĞci z maáych lokalnych kotáowni wĊglowych). Odbiorcy indywidualni wyposaĪeni są w wĊzáy cieplne typu kompaktowego – czyli dwufunkcyjne páytowe wymienniki ciepáa do celów c.o. oraz produkcji c.w.u., w systemie przepáywowym (bez zasobnika ciepáej wody). Odbiorcy Ğrednio i wielkoskalowi wyposaĪeni są równieĪ w dwufunkcyjne páytowe wĊzáy kompaktowe, posiadające dodatkowo system automatyki pogodowej z moĪliwoĞcią zaprogramowania wielu funkcji (np. obniĪenie nocne, wpáyw wiatru). Do monitoringu zuĪytej energii wszystkie wĊzáy wyposaĪone są w liczniki ciepáa. Relizacja caáoĞci zaáoĪonego programu przez PEC Geotermia PodhalaĔska S.A., obejmująca zastąpienie konwencjonalnych ciepáowni ciepáem geotermalnym na terenie Podhala począwszy od Zakopanego a skoĔczywszy na Nowym Targu (poprowadzenie ciepáociągu do Nowego Targu jest obecnie w trakcie realizacji) przewidziana na koniec 2005 roku, pozwoli na caákowitą sprzedaĪ ciepáa w wysokoĞci okoáo 600 TJ/rok (tab. B.3.). Tab. B.3. Szacunkowa sprzedaĪ ciepáa przez PEC Geotermia PodhalaĔska S.A. Grupa odbiorców Obliczone zuĪycie ciepáa Udziaá w ogólnym w ciągu roku [GJ] zuĪyciu [%] Gospodarstwa domowe - 1500 150 000 25 Wielkoskalowi i Ğredni odbiorcy - 260 320 000 53 PEC Nowy Targ 130 000 22 Ogóáem 600 000 100 ħródáo: [27_g] B.3.1. Efekt ekologiczny WdroĪenie ogrzewania geotermalnego na Podhalu, a przez to eliminacja konwencjonalnych ciepáowni zaopatrujących do tej pory odbiorców w ciepáo, spowodowaáo w znacznym stopniu poprawĊ stanu Ğrodowiska naturalnego w tym rejonie. KorzyĞci lokalne związane z przyáączeniem do sieci geotermalnej 459 odbiorców indywidualnych, 141 odbiorców wielkoskalowych, oraz 28 osiedlowych 105 Wykorzystanie energii geotermalnej na Podhalu kotáowni wĊglowych i koksowych (dane na koniec 2003 roku), obejmują gáównie ograniczenie emisji SO2, NOX, CO2, pyáów i związków organicznych. Z badaĔ przeprowadzonych na Podhalu przez firmĊ KWI Consultants & Engineers przy wspóápracy z Polska firmą consultingową FC – BREC z Warszawy na zlecenie Banku ĝwiatowego, opracowany zostaá raport stĊĪenia pyáu zawieszonego i SO2, za okres 1994 ÷ 2001. Przeprowadzona analiza i badania wykazaáy wyraĨny wpáyw dziaáania geotermi na poprawĊ stanu powietrza w porównaniu z okresem przed wprowadzeniem projektu geotermalnego. Roczne stĊĪenie SO2 w okresie 1994 ÷ 1998 (przed wprowadzeniem projektu geotermalnego) wynosiáo 32,6 µg/m3, a na koniec roku 200 – 17,3 µg/m3, co oznacza spadek tego stĊĪenia o 45,3 %. Z kolei roczne stĊĪenie pyáu zawieszonego w okresie 1994 ÷ 1998 wynosiáo 53,3 µg/m3, a w roku 2001 – 27,8 µg/m3, co oznacza Īe Ğrednioroczne stĊĪenie spadáo o 49 %. W wyniku dziaáania ciepáowni geotermalnej i zrealizowanych podáączeĔ do koĔca 2003 roku, zredukowano emisją CO2 o 41 630 ton rocznie [29]. W przyszáoĞci po zakoĔczeniu w peáni zaáoĪeĔ projektu geotermalnego „Podhale”, przewidywana redukcja zanieczyszczeĔ do atmosfery bĊdzie znacznie wiĊksza co obrazuje tab. B.4. Tab. B.4. Przewidywana redukcja emisji po zakoĔczeniu projektu „Podhale” Rodzaj emisji SO2 NOX CO2 CO Pyá Związki organiczne Emisja [t/rok] ħródáo: [27_g] 1 465 705 190 693 45 016 1 855 1 543 Nie wyemitowanie do atmosfery tej iloĞci zanieczyszczeĔ to efekt ekologiczny wykorzystania wód geotermalnych na Podhalu. 106 Praca dyplomowa może przyjmować różne formy w zależności od typu studiów i kraju, w którym są realizowane. Najczęściej spotykanymi rodzajami prac dyplomowych są: Praca licencjacka: Jest to praca napisana na zakończenie studiów licencjackich. Zazwyczaj skupia się na prezentacji podstawowej wiedzy w wybranym obszarze naukowym lub zawodowym. Praca magisterska: Praca magisterska jest pisana przez studentów na zakończenie studiów magisterskich. Często ma charakter bardziej pogłębiony niż praca licencjacka i wymaga wykonania własnych badań lub analizy konkretnego problemu. Praca inżynierska: Jest to praca napisana przez studentów studiów inżynierskich. Skupia się na praktycznym zastosowaniu wiedzy inżynierskiej w rozwiązaniu konkretnego problemu technicznego. Zarządzanie, marketing, ekonomia i administracja to obszary, w których prace dyplomowe mogą przynieść wiele interesujących wniosków. W zarządzaniu można badać strategie firmy, zachowania liderów, czy wpływ kultury organizacyjnej na wyniki. W pracach z marketingu tematyka może obejmować analizę rynku, badanie zachowań konsumentów czy ocenę skuteczności kampanii marketingowych. Prace z ekonomii mogą badać wpływ polityki gospodarczej na gospodarkę, analizować zmiany na rynkach finansowych, czy badać przyczyny i skutki ubóstwa. W pracach z administracji natomiast można skupić się na strukturach administracyjnych, procesach decyzyjnych czy wpływie polityki publicznej na społeczeństwo. Prace z politologii to kolejny szeroki obszar, w którym student może zająć się badaniem procesów politycznych, systemów wyborczych, czy wpływu mediów na politykę. Niezależnie od obszaru, każda praca dyplomowa zawsze wymaga pisanie analiz. To proces, który obejmuje interpretację zebranych danych, identyfikację wzorców, wnioskowanie i tworzenie argumentów. Z kolei prace z rolnictwa wymagają przeprowadzanie badań. Często podobne badania zawierają prace z ekologii. Prace z filozofii z kolei, to obszar, w którym studenci mogą badać różne filozoficzne koncepcje, teorie i idee, zastanawiać się nad pytaniem o sens życia, wolną wolę, prawdę, moralność, a także analizować dzieła różnych filozofów. W sumie, prace dyplomowe są wyrazem umiejętności, wiedzy i zrozumienia studenta dla danego obszaru nauki. Są one ważne nie tylko jako końcowy produkt edukacyjny, ale także jako dowód na zdolność studenta do samodzielnego myślenia, badania, analizy i argumentacji. Bez względu na to, czy dotyczą one teologii, bankowości, prawa, zarządzania, marketingu, ekonomii, administracji, politologii czy filozofii - są one nieodłączną częścią edukacji akademickiej. 107 5xWC 40 MWt 75 PGP - 1 550 m3/h Tw=86 IG - 1 120 m3/h Tw=84 Otwory zatáaczające STREFA 3 B STREFA 3 WC_Z1 STREFA 2 PGP - 2 PAN - 1 Tz = ok. 45 A Ciepáownia Geotermalna BaĔska - Biaáy Dunajec 671 m.n.p.m. WC 70 STREFA 2 C WCS WC Filtr geotermalny 95 STREFA 4 50 STREFA 3 D STREFA 4 WC_Z2 STREFA 3 WĊzeá zbiorczy wody z ciepáowni geotermalnej i kotáowni centralnej Pompa obiegowa Zawór regulacyjny Kotáy gazowoolejowe 35 MW Silniki gazowe 1,5 MWe 2,1 MWt JMS 312 GS-BL 70 40 UĪytkownicy ciepáa Zakopane WC 75 WC 70 UĪytkownicy ciepáa KoĞcielisko 931 m.n.p.m. WC 40 Rys. B.3. Schemat systemu ciepáowniczego na Podhalu realizowanego przez PEC Geotermia PodhalaĔska S.A. WC – wymiennik ciepáa, WCS – wymienniki ciepáa separacyjne, WC_Z1, WC_Z2 – wymienniki ciepáa peániące rolĊ zabezpieczenia, A, B, C, D – lokalizacje pompowni i stacji redukcyjnych Otwory wydobywcze Planowana ciepáownia szczytowa w Nowym Targu 25 MWt 40 UĪytkownicy ciepáa Biaáy Dunajec i Poronin Kotáownia Centralna Zakopane 825 m.n.p.m. WCS Spis literatury Spis literatury 1. Bujakowski W., Barbacki A., Pająk L.: WystĊpowanie i moĪliwoĞci zagospodarowania energii geotermalnej w Maáopolsce. Wyd. IGSMiE PAN Kraków 2003 2. Gáadkiewicz E., KĊpiĔska B.: Energie odnawialne na Podhalu – przewodnik do warsztatów terenowych Nowy Targ 2001 3. Guáa A., Filipowicz M., Wyrwa A.: Energie odnawialne w strategii zrównowaĪonego rozwoju energetycznego. Materiaáy z konferencji pt: ”Energia odnawialna – wykorzystanie biomasy”, Kraków 2003 4. GórzyĔski J.: Audyting Energetyczny. Wydawnictwo Narodowej Agencji Poszanowania Energii S.A., Warszawa 2002 5. Hobler T.: Ruch ciepáa i wymienniki. Wydawnictwa Naukowo – Techniczne, Warszawa 1959 6. KĊpiĔska B.: Model geologiczno – geotermalny niecki podhalaĔskiej. Wyd. IGSMiE PAN – Seria: studia, rozprawy, monografie, nr 48 Kraków 1997 7. KĊpiĔska B.: Warunki hydrotermalne i termiczne podhalaĔskiego systemu geotermalnego w rejonie otworu Biaáy Dunajec PAN – 1. Wyd. IGSMiE PAN Kraków 2001 8. KĊpiĔska B., àowczowska A.: Wody geotermalne w lecznictwie, rekreacji i turystyce. Wyd. IGSMiE PAN – Seria: studia, rozprawy, monografie, nr 113 Kraków 2002 9. Kostowski E.: Przepáyw ciepáa. Wydawnictwo Politechniki ĝląskiej, Gliwice 2000 10. Nowak W., SobaĔski R., Kabat M., Kujawa T.: Systemy pozyskiwania i wykorzystania energii geotermicznej. Wydawnictwo uczelniane Politechniki SzczeciĔskiej, Szczecin 2000 11. Plewa S.: Rozkáad parametrów geotermalnych na obszarze Polski. Wyd. IGSMiE PAN Kraków 1994 12. Skoczylas A.: Przenoszenie ciepáa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocáawskiej, Wrocáaw 1999 108 Spis literatury 13. SoliĔska M. ,SoliĔski I.: EfektywnoĞü ekonomiczna proekologicznych inwestycji rozwojowych w energetyce odnawialnej. Wyd. AGH UWN-D, Kraków 2003 14. Staniszewski B.: Wymiana ciepáa – podstawy teoretyczne. PaĔstwowe Wysawnictwa Naukowe, Warszawa 1980 15. WiĞniewski S., WiĞniewski T.: Wymiana ciepáa. Wydawnictwo Naukowo – Techniczne Warszawa 2000 16. Zalewski W.: Pompy ciepáa – podstawy teoretyczne i przykáady zastosowaĔ. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 1998 17. Praca zbiorowa pod redakcją Bujakowskiego W.: Energia geotermalna – ĝwiat, Polska, ĝrodowisko. Wyd. IGSMiE PAN Kraków 2000 18. Praca zbiorowa pod redakcją 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. Materiaáy szkoleniowe Krajowej Agencji Poszanowania Energii S.A., Warszawa 1995 20. Praca zbiorowa pod redakcją 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. Wydziaá Nauk o Ziemi Uniwersytetu ĝląskiego oraz Polska Geotermalna Asocjacja, Sosnowiec 2002 22. Praca zbiorowa pod kierownictwem Sokoáowskiego J.: Prowincje i baseny geotermalne Polski. Wyd. Polska Geotermalna Asocjacja oraz CPPGSMiE PAN, Kraków 1995 23. Technika poszukiwaĔ geologicznych – Geosynoptyka i geotermia. Zeszyt 4 i 5. Wyd. CPPGSMiE PAN Kraków 1999, 24. Technika poszukiwaĔ geologicznych – Geosynoptyka i geotermia. Zeszyt 5 i 6. Wyd. CPPGSMiE PAN Kraków 1993 25. Praca zbiorowa pod redakcją naukową Bujakowskiego W.: energetyczne wykorzystujące czyste, odnawialne Ĩródáa energii. Systemy Wyd. IGSMiE PAN Kraków 2003: 109 Spis literatury 25_a – Ney R.: Warunki rozwoju energii odnawialnej w Polsce, 25_b – Seibt P.: DoĞwiadczenia zebrane w procesie zatáaczania scháodzonych wód geotermalnych do piaskowcowych formacji wodonoĞnych, 25_c – KĊpiĔska B.: System eksploatacji i kaskadowego wykorzystania energii geotermalnej w Laboratorium Geotermalnym PAN IGSMiE w BaĔskiej NiĪnej na Podhalu, 25_d – Bujakowski W.: Energia geotermalna – przegląd polskich doĞwiadczeĔ, 25_e – Dáugosz P.: Geotermia na Podhalu – 10 lat doĞwiadczeĔ 26. Praca zbiorowa pod redakcją Sokoáowskiego J.: Polska szkoáa 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.: MoĪliwoĞci i problematyka wykorzystania energii geotermalnej w Polsce, 26_c – Sokoáowski J.: Definicje pojĊü okreĞlających warunki wystĊpowania zasobów energii geotermicznej i geotermalnej, 26_d – Sokoáowski J.: Metody oceny zasobów geotermalnych i warunki ich wystĊpowania w Polsce, 26_e – Sokoáowska J.: Ocena zasobów geotermalnych, 26_f – KapuĞciĔski J.: Optymalizacja lokalizacji otworów geotermalnych w dostosowaniu do warunków hydrogeologicznych zbiorników wód termalnych, 26_g – Stachowiak J.: MoĪliwoĞci wykorzystania energii geotermalnej w Ğwietle przepisów prawa geologicznego i górniczego, 26_h – Maliszewski N.: Ocena ekonomiczna inwestycji geotermalnych, 26_i – SbaĔski R., Kabat M.: Uwagi do sposobów wykorzystywania wód geotermalnych w ciepáownictwie, 26_j – Kubski P.: Pompy grzejne w ciepáownictwie 110 Spis literatury 27. IV Seminarium z cyklu Rola energii geotermalnej w zrównowaĪonym rozwoju regionów na temat „Energia geotermalna w Maáopolsce – dziĞ i jutro” Bukowina TatrzaĔska 8 – 10 paĨdziernika 2001. Wyd. IGSMiE PAN: 27_a – KĊpiĔska B.: Wody geotermalne w rekreacji i lecznictwie – niewykorzystywana szansa Podhala, 27_b – Chowaniec J., Poprawa D., Witek K.: WystĊpowanie wód termalnych w Polskiej czĊĞci Karpat, 27_c – Barbacki A.: Geologiczne warunki wystĊpowania wód geotermalnych na obszarze maáopolski, 27_d – Bujakowski W.: Potencjalne moĪliwoĞci wykorzystania energii geotermalnej w maáopolsce, 27_e – Pietrzyk – Sokulska E.: Turystyka i jej zrównowaĪony rozwój wyzwaniem dla geotermii w maáopolsce, 27_f – Ney R.: Dylematy polskiej polityki energetycznej na początku XXI wieku, 27_g – Dáugosz P.: Projekt wykorzystania ciepáa geotermalnego do celów ciepáowniczych na Podhalu – stan obecny i dalsze plany 28. Materiaáy niepublikowane udostĊpnione przez Laboratorium Geotermalne PAN IGSMiE w BaĔskiej NiĪnej – Biaáym Dunajcu 29. Materiaáy niepublikowane udostĊpnione przez PEC Geotarmia PodhalaĔska 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 PodhalaĔska S.A., http://www.geotermia.pl 35. Strategia rozwoju energetyki odnawialnej, http://www.ibmer.waw.pl 36. Wykorzystanie pomp ciepáa do ogrzewania budynków, http://www.kape.gov.pl 37. Wykorzystanie odnawialnych Ĩródeá energii w budownictwie – poradnik, http://www.kape.gov.p 111 Spis literatury 112