Kopalnie węgla kamiennego źródłem ciepła dla pomp ciepła

W kopalniach węgla kamiennego oprócz tradycyjnie wydobywanego surowca występują znaczne zasoby wodne i energetyczne. Obecnie są one wykorzystywane w niewielkim stopniu. Ich zagospodarowanie może znacznie poprawić efektywność ekonomiczną kopalń i przyczynić się do redukcji emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Jest to szczególnie istotne w obrębie dotkniętego problemem niskiej emisji województwa śląskiego.

Z kopalń zlokalizowanych w obszarze Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (GZW) dziennie pompowanych jest ponad 600 tys. m³ wód. Dla poszczególnych kopalń wielkości dopływów wód dołowych zawierają się w przedziale 1–60 m³/min. Temperatura pompowanych wód wynosi od 13 do 25°C [1]. Ze względu na budowę geologiczną konieczne jest odwadniane czynnych oraz zlikwidowanych zakładów przez najbliższe kilkadziesiąt lat.

W przypadku kopalń zlokalizowanych w obrębie aglomeracji śląskiej znacznym atutem jest bliskość potencjalnych odbiorców energii – osiedli i zabudowy mieszkalnej. Istotnym odbiorcą energii cieplnej mogą być same kopalnie.

Szacuje się, że zapotrzebowanie na moc cieplną w czynnych zakładach górniczych wynosi od kilku do kilkunastu MW, w przypadku zlikwidowanych kopalń prowadzących odwadnianie ok. 2–6 MW.

W okresie letnim zapotrzebowanie na moc spada do poziomu ok. 10% pierwotnej mocy zainstalowanej i jest ona wykorzystywana głównie do zaspokojenia potrzeb łaźni górniczych [2].

Wody pochodzące z odwadniania kopalń zgodnie z Prawem wodnym [3] traktowane są jak ścieki i w zdecydowanej większości odprowadzane do cieków powierzchniowych. Każdy zakład górniczy zobowiązany jest do posiadania pozwolenia wodnoprawnego na prowadzenie odwadniania, co umożliwia znaczne skrócenie procedury formalno-prawnej przy realizacji inwestycji związanej z pozyskiwaniem ciepła. Z uwagi na konieczność odwadniania wszystkich czynnych kopalń oraz części zlikwidowanych potencjalny inwestor instalacji nie poniesie kosztów związanych z pompowaniem wody.

Pierwsze instalacje pomp ciepła oparte na wodach kopalnianych powstały w Centralnym Zakładzie Odwadniania Kopalń w Czeladzi oraz w Zakładzie Górniczym Sobieski w Jaworznie.

Centralny Zakład Odwadniania Kopalń – Pompownia Saturn

Centralny Zakład Odwadniania Kopalń (CZOK) powstał w 2000 roku w ramach Spółki Restrukturyzacji Kopalń (SRK). Jego głównym zadaniem jest ochrona czynnych kopalń przed zagrożeniem wodnym poprzez prowadzenie odwadniania zlikwidowanych zakładów górniczych. Jednym z nich jest Pompownia Saturn (dawna KWK Saturn) zlokalizowana w Czeladzi, gdzie mieści się również siedziba CZOK. Działalność zakładu finansowana jest z budżetu państwa.

W 2008 roku SRK przystąpiła do międzynarodowego projektu Remining-Lowex mającego na celu ocenę możliwości wykorzystana ciepła z wód kopalnianych w krajach Unii Europejskiej.

Celem projektu było m.in. wybudowanie pilotażowej instalacji do odzysku ciepła w siedzibie CZOK w Czeladzi. Środki finansowe na jego realizację pozyskano z dotacji budżetowej oraz UE.

W ramach inwestycji przeprowadzonej w 2012 roku dokonano termomodernizacji głównego budynku administracji CZOK, zbudowano też instalację grzewczą bazującą na wodach kopalnianych, zastępującą dotychczasowe ogrzewanie elektryczne [4].

Odwadnianie zlikwidowanej KWK Saturn prowadzone jest w celu zabezpieczenia czynnych kopalń północnej części GZW. Kopalnia ta należała do najbardziej zawodnionych w całym górnictwie węgla kamiennego w Polsce. W 2011 roku w celu redukcji kosztów przeprowadzono modernizację i uproszczono istniejący system odwadniania. W szybie Paweł zatopiono agregaty pompowe, a powierzchniową infrastrukturę zlikwidowano. Ilość pompowanych wód wynosi obecnie ok. 15 m3/min (900 m3/h), a ich temperatura ok. 13°C. Są to wody o stosunkowo niskiej mineralizacji, charakteryzujące się wysokim stężeniem związków żelaza oraz manganu [5]. Parametry wód pochodzących z odwadniania Pompowni Saturn przedstawiono w tabeli 1.

Z uwagi na dużą zawartość związków żelaza w pompowanych wodach oraz możliwość ich wytrącania na powierzchni wymiennika pośredniego niemożliwe jest podanie wód kopalnianych do instalacji pomp ciepła bez wcześniejszego uzdatnienia. Wymagało to utworzenia stacji uzdatniania wody kopalnianej.

Woda surowa pobierana jest ze zbiornika przelewowego zlokalizowanego przy szybie Paweł, skąd rurociągiem zasilającym przepompowywana jest do budynku SUW. Po jej oczyszczeniu w stacji filtrów kierowana jest rurociągiem na wymiennik obiegu pierwotnego zlokalizowany w budynku CZOK. Po oddaniu ciepła trafia ponownie do zbiornika przelewowego, a jej nadmiar zrzucany jest do rzeki Brynicy.

Woda kopalniana uzdatniana jest w technologii opartej na utlenianiu związków żelaza i manganu za pomocą powietrza pochodzącego ze sprężarki oraz filtracji na mieszaninie złóż kwarcowego i hydroantracytowego.

Woda w ilości 23 m³/h kierowana jest do kolumny napowietrzającej. Następnie trafia do filtrów (w układzie: dwa pracujące, jeden w regeneracji), gdzie następuje usunięcie wytrąconych związków żelaza oraz manganu. Odżelaziona i odmanganiona woda trafia rurociągiem do wymiennika instalacji pomp ciepła.

Część uzdatnionej wody jest retencjonowana w dwóch zbiornikach o pojemności 13 m³ każdy, zapewniających wodę na potrzeby płukania filtrów [6]. Z uwagi na dużą zawartość żelaza w wodzie surowej niezbędne jest okresowe czyszczenie rurociągów zasilających SUW.

Na fot. 1 pokazano rurociąg obiegu wody kopalnianej wraz z wytrąconymi w nim tlenkami żelaza.

• Zasilająca sieć centralnego ogrzewania centrala cieplna składa się z dwóch pomp ciepła typu woda/woda Vitocal 300-G: typ WW145 o mocy 58,9 kW – pierwszy stopień oraz WWS145 – drugi stopień.
• Całkowita moc grzewcza instalacji wynosi 117,8 kW.
• Do spełnienia potrzeb grzewczych budynku kaskada pomp ciepła wymaga dostarczenia ok. 0,31 m³/min (18,6 m³/h) wody kopalnianej (mniej niż 5% całkowitej ilości pompowanych wód).
• W instalacji c.o. zastosowano ogrzewanie wodne o parametrach 55/45°C z grzejnikami płytowymi.
• W wybranych pomieszczeniach zaprojektowano ogrzewanie za pomocą klimakonwektorów z funkcją chłodzenia w okresie letnim.
• Klimakonwektory do celów grzewczych zasilane są wodą o parametrach 55/45°C, a do celów chłodniczych 12/20°C.
• W układzie grzewczym zastosowano również pięć buforowych zasobników ciepła o pojemności 1000 dm³ każdy. W razie awarii pozwala to zapewnić ciągłość dostaw ciepła.
• Podczas awarii jednej z pomp ciepła druga pracuje z ograniczoną mocą.
• Szczytowe zapotrzebowanie na ciepło występuje tylko kilka dni w roku, dlatego krótkookresowa praca jednej pompy ciepła pozwala zabezpieczyć potrzeby grzewcze budynku [7].

W ramach realizowanego projektu przeprowadzono również termomodernizację siedziby CZOK.

• Budynek składa się z dwóch kondygnacji oraz części podpiwniczonej.
• Użytkowa kubatura ogrzewana wynosi 6040 m³.

Dotychczasowym źródłem ciepła była instalacja elektryczna z grzejnikami konwektorowymi. Roczne zużycie energii elektrycznej na potrzeby ogrzewania wynosiło przed termomodernizacją 410,7 MWh/rok.

W ramach termomodernizacji ocieplono budynek i stropodach oraz wymieniono stolarkę okienną.

Po rozpoczęciu eksploatacji instalacji pomp ciepła zużycie energii elektrycznej na potrzeby grzewcze spadło do 132,9 MWh/rok. Oznacza to zmniejszenie zapotrzebowania na energię elektryczną o niemal 278 MWh/rok (rys. 1).

Szacuje się, że zysk netto wyniesie 101 tys. zł/rok, a czas zwrotu nastąpi po 10 latach [4].

Efekt ekologiczny uzyskany dzięki ograniczeniu zapotrzebowania na energię elektryczną przedstawiono na rys. 2.

Zakład Górniczy Sobieski

Zakład Górniczy Sobieski zlokalizowany jest w Jaworznie i wchodzi w skład grupy Tauron Wydobycie. Jest to kopalnia dwuruchowa prowadząca wydobycie w dwóch Rejonach: Sobieski oraz Piłsudski.

Ze względu na warunki hydrogeologiczne kopalnia Sobieski jest najbardziej zawodnioną spośród wszystkich wydobywających węgiel kamienny w Polsce. Dopływy wód dołowych utrzymują się w ostatnich latach na poziomie ok. 60 m³/min (3600 m³/h).

W 2014 roku w ZG Sobieski rozpoczęto realizację projektu instalacji odzysku ciepła zgromadzonego w wodach kopalnianych i wykorzystania go do produkcji ciepłej wody użytkowej na potrzeby łaźni górniczej.

Projekt zakładał zastąpienie dotychczasowego rozwiązania (przyłączenie do miejskiej sieci ciepłowniczej) kaskadą pomp ciepła [8].

Realizację inwestycji zakończono w lipcu 2015. Autorem projektu instalacji był Geo-Term Polska, a inwestycję zrealizował DMP System.

Stacja pomp ciepła znajduje się na terenie Rejonu Sobieski i dostarcza ciepło na potrzeby przygotowania ciepłej wody użytkowej łaźni tego Rejonu (ruchu).

Dzięki selektywnemu ujmowaniu wód dolne źródło ciepła może stanowić woda pompowana z poziomu 500 m.

Pompownia położona jest przy szybie Sobieski III, średnie dopływy rejestrowane na tym poziomie wynoszą w ostatnich latach ok. 21 m³/min (1272 m³/h) i mają temperaturę ok. 15°C.

Parametry wód dopływających do pompowni poziomowej przedstawiono w tabeli 2.

W ramach inwestycji wybudowano stację pomp ze studnią czerpną, a w budynku łaźni zbudowano instalację pomp ciepła. Oba obiekty połączono magistralą przesyłową składającą się z rur preizolowanych.

W stacji pomp połączonej z kanałem zrzutowym wód dołowych z poziomu 500 m pracują dwie pompy obiegowe wody kopalnianej oraz jedna ssawna – zatapialna.

Woda dołowa z poziomu 500 m na potrzeby instalacji pobierana jest z kanału w ilości 1,1 m³/min (66 m³/h), a następnie pompowana do budynku łaźni.

Ze względu na wysoką mineralizację oraz zawartość chlorków i siarczanów, które wzmacniają korozyjny charakter wody wobec metali, w instalacji niezbędne było zastosowanie wymienników pośrednich [10].

Woda kopalniana stanowi dolne źródło ciepła dla układu pięciu dwusprężarkowych pomp ciepła NIBE AP-BW30-85H.

Instalacja dostosowana jest do parametrów wód dołowych, co gwarantuje jej niezaburzoną pracę.

Całkowita moc grzewcza instalacji wynosi 420 kW.

W skład układu wchodzą dwie niezależne i rozdzielne hydraulicznie kaskady. Pierwszą z nich tworzą trzy pompy ciepła, druga składa się z dwóch pomp ciepła.

W zależności od chwilowego zapotrzebowania na moc cieplną sterownik załącza kaskadowo kolejne pompy ciepła.

Podgrzana do temperatury 55°C ciepła woda użytkowa magazynowana jest w zasobnikach o łącznej pojemności 63 m3.

Na wypadek przerw w pracy pomp ciepła zasobniki zostały wyposażone w wymienniki ciepła podłączone od miejskiej sieci ciepłowniczej [10].

Schemat instalacji przedstawiono na rys. 3.

Średnie miesięczne zużycie energii cieplnej na potrzeby przygotowania wody kąpielowej do łaźni w latach 2012–15 wynosiło 1070 GJ/mies. Po oddaniu do użytku instalacji pomp ciepła średni pobór ciepła z miejskiej sieci wynosi 290 GJ/mies., a średnia ilość energii elektrycznej zużytej do napędu instalacji to 25,5 MWh/mies. (92 GJ/mies.).

Dzięki inwestycji możliwe było ograniczenie ilości kupowanego ciepła od zewnętrznego dostawcy o 780 GJ/mies. (rys. 4) [10].

Miesięczny zysk ekonomiczny (pomniejszony o koszt zakupu energii elektrycznej) wyniósł 18 000 zł.

Przy całkowitym koszcie inwestycji wynoszącym 1 180 000 zł szacowany czas zwrotu wyniesie 6 lat.

Planowany okres eksploatacji instalacji to 18 lat. Przyjmując, że roczne zapotrzebowanie na energię cieplną z sieci ciepłowniczej w latach 2012–15 wynosiło 12 840 GJ oraz że po oddaniu do użytku instalacji wynosi ono 3480 GJ, a roczny pobór energii elektrycznej przez pompy ciepła to 306 MWh [10], określono uzyskany 3 efekt ekologiczny (rys. 5).

Podsumowanie

• Działalność górnicza prowadzona w obrębie Górnośląskiego Zagłębia Węglowego stwarza możliwości zagospodarowania energii odpadowej, dotychczas niewykorzystywanej w zakładach górniczych.
• Możliwości odzysku ciepła z wód kopalnianych zależą od wielu czynników górniczo-technicznych oraz naturalnych. Do najważniejszych należą natężenie przepływu oraz ich temperatura.
• Z uwagi na wysoką mineralizację, korozyjny charakter oraz tendencję do wytrącania osadów wody kopalniane wymagają zastosowania wymienników pośrednich w instalacji lub wcześniejszego uzdatnienia.
• Wykorzystanie wód kopalnianych w celach energetycznych może w znacznym stopniu poprawić efektywność ekonomiczną i ekologiczną zakładów górniczych.
• Średni koszt inwestycyjny instalacji pomp ciepła wykorzystującej wody kopalniane wynosi ok. 0,8 mln zł dla instalacji o mocy 0,5 MW i wzrasta liniowo wraz ze wzrostem mocy.
• Średni czas zwrotu inwestycji zazwyczaj nie przekracza 10 lat.

Najważniejszym czynnikiem mogącym wpłynąć negatywnie na realizację i projekty inwestycji geotermalnych jest trwający proces restrukturyzacji górnictwa. Związane z nim zmienne koncepcje dotyczące likwidacji kopalń i prowadzonego odwadniania oraz trudna do oszacowania żywotność zakładów mogą odstraszyć potencjalnych inwestorów.

Autorzy dziękują władzom Spółki Restrukturyzacji Kopalń S.A. – Centralnego Zakładu Odwadniania Kopalń w Czeladzi oraz TAURON Wydobycie S.A. za udostępnienie materiałów niezbędnych do realizacji pracy.

Literatura

1. Solik-Heliasz E., Wody termalne regionu górnośląskiego i ich zasoby energetyczne, Prace Naukowe GIG, Katowice 2012.
2. Solik-Heliasz E., Ocena możliwości odzysku ciepła z wód pompowanych z kopalń węgla kamiennego, Prace Naukowe GIG „Górnictwo i Środowisko” nr 2/2002.
3. Ustawa z dnia 20 lipca 2017 r. Prawo wodne (DzU 2017, poz. 1566).
4. Tokarz M., Mucha W., Wykorzystanie energii geotermalnej pochodzącej z odwadniania zakładów górniczych, na przykładzie rozwiązań zastosowanych w SRK S.A. Zakładzie CZOK w Czeladzi, „Technika Poszukiwań Geologicznych Geotermia, Zrównoważony Rozwój” nr 1/2013.
5. Charakterystyka Rejonu Saturn w zakresie gospodarki wodnej pompowanych wód kopalnianych, Materiały SRK CZOK, 2008.
6. Projekt budowlano-wykonawczy montażu filtrów obsługujących pompy ciepła w Rejonie Saturn, Dolnośląska Agencja Energii i Środowiska, 2012.
7. Projekt wykonawczy termomodernizacji budynku administracji CZOK w Czeladzi wraz z ociepleniem, przebudową i remontem, Dolnośląska Agencja Energii i Środowiska, 2011.
8. Zagospodarowanie ciepła odpadowego, jako cennego i taniego źródła energii. Możliwości i efektywność produkcji ciepła z zastosowaniem pomp ciepła na wybranych przykładach, materiały Geo-Term Polska, 2015.
9. Wątor L., Dodatek nr 1 do dokumentacji określającej warunki hydrogeologiczne w związku z projektowaniem odwodnień do wydobywania węgla kamiennego ze złóż Zakładu Górniczego „Sobieski” Południowego Koncernu Węglowego S.A. wg stanu na 31.12.2010 r., PUPH Progeo Sp. z o.o., Katowice 2011.
10. Materiały wewnętrzne Tauron Wydobycie S.A.
11. Materiały Geo-Term Polska.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!