18.06.2021

W poszukiwaniu alternatyw energetycznych – nowe projekty KN Geowiert


Na zdjęciu widać naukowca w laboratorium, który pochyla się nad stołem z okrągłymi próbkami. Na stole widać kilkanaście próbek. Naukowiec trzyma w ręku pojemnik wypełniony przygotowanym wcześniej zaczynem uszczelniającym i wlewa do próbek

Proces tworzenia próbek poszczególnych zaczynów uszczelniających użytych w otworze Sękowa GT-1. Fot. KN Geowiert

Na pierwszym planie od lewej widać: zagłowiczenie otworu Sękowa GT-1. obok dwóch naukowców wykonujących profilowanie temperatury otworu. Na drugim planie widoczny jest dźwig z zamontowanym rejestratorem temperatury i głębokości

Na pierwszym planie od lewej zagłowiczenie otworu Sękowa GT-1. Fot. KN Geowiert

Na zdjęciu widać trzy osoby, stojące wokół pionowego, metalowego urządzenia, przeprowadzające profilowanie temperatury w otworze Sękowa GT-1. Urządzenie ma formę kolumny o wysokości ok. 1,5 m. Na pierwszym planie dwie betonowe płyty i jedna osoba. Na drugim, bliżej aparatury dwie osoby i pole pokryte śniegiem. W tle widoczna góra oraz błękitne niebo.

Wykonywanie porównawczych pomiarów temperatury w otworze Sękowa GT-1 o głębokości 2356 m. Fot. KN Geowiert

W Sękowej k. Gorlic powstaje unikatowe w skali Polski i Europy rozwiązanie – hybrydowe źródło energii, które integruje ciepło Ziemi z fotowoltaiką. W prace nad ekspertyzą w tym projekcie byli zaangażowani m.in. członkowie Koła Naukowego Geowiert. Ponadto, w ostatnim czasie studenci z koła rozpoczęli realizację dużego projektu z Grantu Rektora.

Hybrydowe źródło energii

Nowatorskie rozwiązanie zakłada integrację ciepła Ziemi (po raz pierwszy w Polsce poprzez głęboki otworowy wymiennik ciepła – OWC) i energii słonecznej.

W 2020 r. na głębokości 3 km wykonano otwór badawczy Sękowa GT-1 z przeznaczeniem dla ciepłownictwa. Spodziewano się w nim wody geotermalnej o temperaturze ok. 60⁰C i wydajności 40-70 m3/h, jednak nie stwierdzono zakładanych parametrów. Przy współpracy Ministerstwa Klimatu i Środowiska, Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, władz gminy i środowiska naukowego, wypracowano optymalny, innowacyjny na skalę kraju, wariant wykorzystania odwiertu w formie głębokiego otworowego wymiennika ciepła (OWC).

Za pomocą OWC będzie pozyskiwane ciepło z górotworu. Następnie, dzięki instalacji hybrydowego źródła energii, zostanie ono wykorzystane w wybranych obiektach w Sękowej.

W pracę nad ekspertyzą dla projektu „Wykorzystanie potencjału energetycznego zlikwidowanych, po-eksploatacyjnych lub negatywnych otworów wiertniczych – pilotaż dla otworu Sękowa GT-1” byli zaangażowani studenci AGH oraz pracownicy Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN.

­– W pierwszym etapie skupiliśmy się na ocenie potencjału parametrów energetycznych projektowanego systemu, wykonując tym samym m.in. serię badań współczynnika przewodzenia ciepła zaczynów uszczelniających użytych w tym otworze. Następnym zadaniem była analiza profilowań temperatury wykonanych w otworze oraz wykonanie pomiarów porównawczych, które wymagały kilku wyjazdów do Sękowej. Aktywny udział braliśmy również przy ocenie konstrukcji, stanu technicznego, potencjału i parametrów energetycznych odwiertów Gorlice-12 i Gorlice-13 (sąsiadujących z otworem Sękowa GT-1) pod kątem możliwości i zasadności ich wykorzystania w formie głębokich otworowych wymienników ciepła. – tłumaczy inż. Stanisław Kotyła, członek zarządu koła Geowiert.

Adaptacja otworu Sękowa GT-1 na głęboki otworowy wymiennik ciepła jest jedną z nielicznych tego typu inwestycji na świecie. Niemniej jednak, wykorzystywanie potencjału energetycznego zlikwidowanych, po-eksploatacyjnych lub negatywnych otworów wiertniczych, zyskuje coraz większe zainteresowanie. W marcu br. w miejscowości Kiskunhalas na Węgrzech do użytku został oddany głęboki otworowy wymiennik ciepła – pierwszy na świecie na bazie odwiertu ropno-gazowego, zlikwidowanego w latach 60. XX wieku. Powstała instalacja umożliwi bezpośrednie ogrzanie budynków o łącznej powierzchni prawie 30 tys. m2. Warunki geologiczne charakteryzujące rejon Sękowej, w porównaniu z Węgrami, ograniczają znacząco maksymalną moc grzewczą projektowanego wymiennika otworowego. Jednakże, przeprowadzone badania i analizy potwierdzają jego sens ekonomiczny w długoczasowym okresie eksploatacji.

Istniejący otwór Sękowa GT-1, aby mógł spełniać rolę głębokiego otworowego wymiennika ciepła, w pierwszej kolejności musi zostać wyposażony w kolumnę rur wewnętrznych izolowanych termicznie. Umożliwi to cyrkulację wody (nośnika ciepła).

W centralnej części pionowy, czarno-biały schemat kolumny wraz z numerami

Konstrukcja kolumny izolującej głębokiego otworowego wymiennika ciepła na bazie negatywnego otworu geotermalnego Sękowa GT-1, 1 - zewnętrzna rura okładzinowa 7" w kolumnie izolacyjnej, 2 - próżnia, 3 - wewnętrzna rura wydobywcza 3 ½" w kolumnie izolacyjnej, 4 - zewnętrzna rura okładzinowa 5" w kolumnie izolacyjnej, 5 - wewnętrzna rura wydobywcza 2 ⅞" w kolumnie izolacyjnej

Woda spływając w dół otworu przestrzenią pierścieniową zawartą pomiędzy zapuszczoną kolumną a ścianą otworu będzie ogrzewana ciepłem skał. Wypływać będzie na powierzchnię terenu kolumną rur wewnętrznych. Zastosowane nowatorskie rozwiązanie w konstrukcji kolumny rur wewnętrznych zredukuje koszty inwestycji o ponad 30%, zachowując jednocześnie wysoką izolację termiczną dwóch przeciwbieżnych strumieni wody w otworze. W połączeniu z geotermalną pompą ciepła system będzie dostarczać wodę o temperaturze 50-60°C do zaplecza pobliskiego boiska oraz projektowanego basenu.

 

Projekt z Grantu Rektora

Kolejnym dużym wyzwaniem badawczym, nad którym pracuje koło, jest dwuczęściowy projekt realizowany z Grantu Rektora pt. „Geoenergetyka otworowa (cz. 1) – wykorzystanie otworów wiertniczych do magazynowania energii oraz (cz. 2) – opracowanie matematycznego modelu oceny ekonomicznej innowacyjnego systemu ogrzewania na bazie głębokiego otworowego wymiennika ciepła na przykładzie kampusu AGH”.

Projekt został podzielony na dwie kategorie – konstrukcyjną oraz badawczą.

Pierwsza z nich zakłada stworzenie na Kampusie AGH magazynów energii przy wykorzystaniu płytkich otworów wiertniczych. Wykonane przez studentów dwie konstrukcje (magazyn energii w formie energii potencjalnej oraz energii kinetycznej gazu) posłużą jako demonstracyjne magazyny energii pochodzącej np. z nadwyżek produkcji prądu z paneli fotowoltaicznych. W ten sposób można wykorzystać dużą liczbę głębokich otworów wiertniczych na świecie, dlatego też głównym celem tej części projektu jest promocja danych rozwiązań technologicznych. Przetestowane i zbadane dwa magazyny energii w otworach będą także mogły być zrealizowane w Sękowej.

Druga kategoria – badawcza – zakłada opracowanie koncepcji innowacyjnego ogrzewania wybranych obiektów należących do AGH na bazie przeanalizowanego potencjalnego głębokiego otworowego wymiennika ciepła. Założenia projektowe wykonane będą przy współpracy ze specjalistami z największej polskiej firmy wiertniczej Exalo. W celu określenia potencjału danej instalacji zostanie przeprowadzone modelowanie matematyczne w oprogramowaniu ANSYS (członkowie koła odbędą szkolenia w okresie wakacyjnym). Otrzymane dofinansowanie z Grantu Rektora umożliwi studentom również zbudowanie superkomputera, który posłuży w przyszłości do tworzenia podobnych symulacji w skróconym czasie. W realizację projektu zaangażowała się także firma Symkom, która udzieliła studentom pełną roczną licencję na oprogramowanie ANSYS.

O Kole Geowiert

Koło Naukowe Geowiert działa na AGH od 1954 r. Studenci realizują w nim badania w trzech sekcjach tematycznych: wiertnictwa, geoinżynierii oraz geotermii. Opiekunem naukowym koła jest dr hab. inż. Tomasz Śliwa, prof. AGH, natomiast opiekunem pomocniczym jest mgr inż. Tomasz Kowalski.

– W aspekcie powszechnego rozumienia inżynierii otworowej tematyka poruszanych przez nas zagadnień jest wyjątkowa. A mianowicie, wykazywanie, że wiertnictwo nie ogranicza się tylko i wyłącznie do poszukiwań czy eksploatacji węglowodorów. Nam, członkom Koła Naukowego Geowiert zależy na tym, żeby pokazać jak ciekawym i ważnym dla dzisiejszego świata stojącego u progu rewolucji energetycznej może okazać się właśnie wiertnictwo. Wiertnictwo, które dla wielu jeszcze przed paru laty mogłoby się wydawać dziedziną, która po odejściu od paliw kopalnych straci na znaczeniu. Okazuje się jednak, że w zakresie naszych działań są np. badania nad dolnym źródłem ciepła dla instalacji wykorzystujących geotermalne pompy ciepła, badania nad zaczynami cementowymi do głębokich otworów wiertniczych, wpływających na izolację termiczną wody geotermalnej (mamy już bilety na wrześniową geotermalną wyprawę na Islandię), bądź też badania nad opuszczonymi poeksploatacyjnymi lub badawczymi otworami wiertniczymi, które zamiast likwidować można wykorzystać do instalacji generujących ciepło dla budynków lub do magazynowania energii elektrycznej (jako grawitacyjne magazyny energii). Wszystko to czyni naszą organizację wyjątkową w skali kraju, a nawet naszej części Europy – inż. Patryk Leśniak, przewodniczący koła Geowiert.

 

Źródła:

Hybrydowe źródła energii

Materiały nadesłane przez inż. Stanisława Kotyłę