16.04.2021

Eksperci z AGH zmodernizują sposoby pozyskiwania energii cieplnej z górotworu

Podziemne magazyny ciepła w górotworze (ang. Underground Thermal Energy Storage – UTES) to jedna z możliwości dostarczania ciepła i chłodu stosowana niemal na całym świecie. Do pozyskania ciepła z górotworu i jego magazynowania (regeneracji zasobów) służą otworowe wymienniki ciepła (ang. Borehole Heat Exchangers – BHEs). Zimą są wykorzystywane do ogrzewania pomieszczeń, latem do klimatyzacji lub innych celów grzewczo-chłodniczych. Nad modernizacją tych instalacji pracuje polsko-norwesko-szwedzkie konsorcjum o nazwie BHEsINNO, którym kieruje dr hab. inż. Tomasz Śliwa, prof. AGH z Laboratorium Geoenergetyki na Wydziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu.


Zestaw do wykonywania testów reakcji termicznej pierwszego badawczego wymiennika otworowego

Studzienki otworowych wymienników ciepła; kampus AGH, teren pomiędzy bud. A-3 i A-4

Studzienka zbiorcza 14 otworowych wymienników ciepła

Pompy ciepła systemu grzewczo-klimatyzacyjnego; kampus AGH, bud. A-4, aula WWNiG

Program sterujący pracą instalacji

Prace nad opracowaniem i wdrożeniem innowacyjnych konstrukcji rozpoczęły się w lipcu ubiegłego roku. Nowy system współosiowych rur kompozytowych w otworach wiertniczych będzie maksymalizować efekt energetyczny definiowany jako jednostkowa moc uzyskana w watach na metr głębokości otworu. Konstrukcja współosiowa, jako alternatywa dla tradycyjnego systemu opartego na U-rurkach, będzie mogła być zastosowana w odwiertach o większej głębokości. Badacze przeprowadzą testy reakcji termicznej (TRT) na każdym nowym otworze wiertniczym wykonanym na terenie AGH. Dodatkowo, na co najmniej trzech otworowych wymiennikach ciepła przeprowadzony zostanie test przewodności cieplnej.

Eksperci opracują m.in. komputerowy model zjawisk transportu ciepła w BHEs, który uwzględni wszystkie istotne zjawiska zachodzące zarówno w otworze, jak i w górotworze, a także na jego powierzchni. Przeprowadzona na podstawie rozkładu temperatur na różnych głębokościach analiza zachodzących zjawisk pozwoli zdecydować, które z czynników są najważniejsze. Wyznaczenie pola temperatur oraz średniej temperatury sezonowej górotworu pozwoli oszacować jego potencjał cieplny oraz wybrać optymalną strategię eksploatacji dla dużej liczby wymienników ciepła (pole BHEs), co w efekcie zoptymalizuje cały system BHEs.

Jednym z zadań zespołu jest opracowanie rur współosiowych do stosowania w otworowych wymiennikach ciepła o większej głębokości. Rura zewnętrzna powinna mieć jak największą przewodność cieplną, ze względu na większą średnicę nie może być zwijana – należy ją zmontować podczas wprowadzania do otworu. Z kolei rura wewnętrzna musi izolować termicznie krążący w niej nośnik ciepła. Ze względu na głębokość rury muszą mieć wystarczająco dużą wytrzymałość mechaniczną. Uzyskanie określonych właściwości termiczno-mechanicznych materiału, z którego powstaną rury, oraz specjalnego połączenia rury zewnętrznej – to wyzwanie dla ekspertów.

Koszty wykonywania otworowych wymienników ciepła pozwoli obniżyć opracowywana prosta metoda optymalizacji parametrów wiercenia. Najważniejsze parametry to: prędkość obrotowa świdra, nacisk na świder oraz ciśnienie powietrza w metodzie udarowo-obrotowej, a także stan zużycia narzędzia wiercącego. W polu BHEs otwory będą wiercone przy różnych parametrach. To przyczyni się do określenia ich optymalnych wartości dla danych warunków geologicznych (twardość skał, warstwy wodonośne, skłonność do odchylania osi otworu od pionu). Z punktu widzenia kosztów wiercenia najważniejszymi parametrami są prędkość wiercenia i zużycie świdra. Wymienione współzależności zostaną uwzględnione w opracowanej metodzie polowej i zaprezentowane firmom wykonującym prace wiertnicze.

Otworowe wymienniki ciepła będą wykonywane na terenie zespołu pałacowo-parkowego w Młoszowej. Posłużą nie tylko do badań, ale także do ogrzewania i klimatyzacji wnętrz planowanych obiektów, a niewykluczone, że również zabytkowego zespołu pałacowego. Otworowe wymienniki ciepła działają na terenie kampusu AGH, ogrzewając i klimatyzując audytorium w budynku A-4 (od ponad 10 lat), a także w otwartym w zeszłym roku budynku D-2. Instalacje opracowane przez zespół Laboratorium Geoenergetyki pod kierownictwem dr. hab. inż. Tomasza Śliwy, prof. AGH, pełnią nie tylko funkcje badawczo-laboratoryjne, ale także ograniczają negatywne oddziaływanie budynków kampusu AGH na środowisko naturalne. Wpisują się tym samym w ogólnoświatowy trend proekologiczny. Warto zaznaczyć, że każdą z już funkcjonujących bądź planowanych instalacji cechuje inny rodzaj konstrukcji, co umożliwia prowadzenie badań nad ich optymalizacją oraz nad parametrami eksploatacyjnymi wymienników otworowych.

 

Schemat źródła ciepła/chłodu magazynowanego w górotworze za pośrednictwem otworowych wymienników ciepła; lokalizacja: kampus AGH, obszar pomiędzy budynkami A-3 i A-4

Warto podkreślić, że projekt BHEsINNO wpisuje się w coraz częściej podejmowane działania na rzecz wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Jednym z nich jest Hub Naukowo-Technologiczno-Biznesowy, który ma powstać w Miękini. List intencyjny w tej sprawie został podpisany 12 kwietnia br., a AGH jest jednym z jego sygnatariuszy.

Liderem polsko-norwesko-szwedzkiego konsorcjum projektowego BHEsINNO jest AGH. W skład zespołu wchodzą naukowcy z Laboratorium Geoenergetyki na Wydziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu: dr hab. inż. Tomasz Śliwa, prof. AGH, prof. dr hab. inż. Andrzej Gonet, dr hab. inż. Aneta Sapińska-Śliwa, dr inż. Albert Złotkowski, mgr inż. Tomasz Kowalski i mgr inż. Kamil Zdziebko oraz doktoranci i studenci WWNiG (głównie członkowie Studenckiego Koła Naukowego Geowiert). W badaniach uczestniczy również dr hab. inż. Marek Jaszczur, prof. AGH z Wydziału Energetyki i Paliw.

W skład konsorcjum wchodzi MuoviTech Polska – światowy lider innowacyjnych produktów i systemów dla energii geotermalnej. Firma ma własne zakłady produkcyjne w Szwecji, Finlandii, Polsce, Holandii, Anglii i Norwegii. Główna siedziba firmy mieści się w Szwecji. Znaczna część prac badawczych z zakresu inżynierii materiałowej będzie zrealizowana w jednostce badawczej MuoviTech w Borås koło Goeteborga.

Norweską stronę reprezentuje Uniwersytet w Stavanger (UiS). W projekt zaangażowani są naukowcy z tamtejszego Wydziału Energetyki i Inżynierii Naftowej. Na czele norweskiego zespołu stoi prof. Øystein Aril, a głównymi ekspertami są prof. Mohsen Assadi oraz dr Homam Nikpey.

BHEsINNO (pełna nazwa projektu: Innovation in Underground Thermal Energy Storages with Borehole Heat Exchangers) finansowany jest z udziałem funduszy norweskich w ramach ogłoszonego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju konkursu POLNOR 2019. Koszt całkowity projektu to 6 919 386,75 zł. Kwota dofinansowania z konkursu POLNOR 2019 wynosi 6 525 086,65 zł.

Szczegółowe informacje o projekcie

Oprac. na podstawie materiałów informacyjnych konsorcjum BHEsINNO
Konsultacja merytoryczna: dr hab. inż. Tomasz Śliwa, prof. AGH