Wody geotermalne na Niżu Polskim

Wody geotermalne na Ni¿u Polskim

Wojciech Górecki

Geothermal waters in the Polish Lowlands. Prz. Geol., 58: 574–579.

A b s t r a c t . The paper presents an outline of studies on the potential for utilization of geothermal waters and energy from sedimentary basins of the Polish Lowlands. The history of geothermal investigations in this region was described. High- and low-temperature geothermal systems in the world and in Europe were characterized. Occur-rence of geothermal waters in Poland was portrayed. Basic parameters of the waters and factors controlling econom-ically justified exploitation of geothermal waters were discussed. Low-temperature heating systems with heat pumps were characterized. Resources of geothermal waters and energy in Poland represent average European values and are estimated at about 2.9 × 1017J/km2, that is similar to resources in Spain and France or United Kingdom. Higher water temperatures at comparable depths occur in southern part of Europe, especially in Hungary and Italy, which results from particularly advantageous relationship between geological and thermal parameters. Basic geothermal water resources in the Polish Lowlands are related to the Mesozoic aquifers. The geothermal waters are accumulated in sandy formations of Lower Cretaceous and Lower Jurassic. Considerable geothermal energy resources are accumulated in waters of the Upper Jurassic, Middle Jurassic, Upper Triassic and Lower Triassic aquifers. Research projects completed in the last years by a team from the Department of Fossil Fuels, AGH – University of Science and Technology, enabled assessment of geothermal potential related to water-bearing deposits of the Paleozoic for-mation from Cambrian up to Permian. The low-temperature heating systems with heat pumps were described. They have wider and wider application in Poland for heating individual houses, apartment blocks, municipal buildings and sacral architecture objects. Low operat-ing costs of the low-temperature systems and quick return of investment expenditures are worth to notice.

Keywords: geothermal systems, history of investigations, economic feasibility, shallow geothermal systems

Zasoby wód i zawartej w nich energii geotermalnej w Polsce mieszcz¹ siê w przedziale œrednich wartoœci euro-pejskich i wynosz¹ oko³o 2,9 × 1017

J/km2

, podobnie jak w Hiszpanii, Francji czy Wielkiej Brytanii. Wy¿sze tempe-ratury wód na porównywalnych g³êbokoœciach wystêpuj¹ na po³udniu Europy, m.in. na Wêgrzech i we W³oszech, co wynika ze szczególnie korzystnych relacji parametrów geologicznych i termicznych w tych rejonach.

Podstawowe zasoby wód geotermalnych na Ni¿u Pol-skim zwi¹zane s¹ z warstwami wodonoœnymi mezozoiku. Wody geotermalne zakumulowane s¹ w formacjach piasz-czystych dolnej kredy i dolnej jury (Ney & Soko³owski, 1987; Soko³owski, 1987; Górecki, 1990, 1995). Znaczne zasoby energii geotermalnej wystêpuj¹ w wodach zbiorni-ków: górnojurajskiego, œrodkowojurajskiego, górnotriaso-wego i dolnotriasogórnotriaso-wego (Górecki, 2000).

Prace badawcze, przeprowadzone w ostatnich latach przez zespó³ Katedry Surowców Energetycznych Akademii Górniczo-Hutniczej, pozwoli³y na rozpoznanie potencja³u geotermalnego, zgromadzonego w wodonoœnych utworach paleozoiku od kambru do permu (Górecki, 2006).

Identyfikacja warunków geotermalnych ska³ wieku paleozoicznego stanowi istotne uzupe³nienie wiedzy na temat krajowych zasobów energii geotermalnej na Ni¿u Polskim. Uzyskane wyniki daj¹ nowe mo¿liwoœci rozwoju geotermii i dziedzin pokrewnych (balneologia, rekreacja itd.) w rejonach le¿¹cych poza obszarami wystêpowania ciep³ych wód podziemnych formacji mezozoicznych.

Charakterystyka systemów geotermalnych Wysokotemperaturowe systemy geotermalne na œwie-cie. Energia geotermalna jest wewnêtrznym ciep³em Ziemi, zakumulowanym w systemach hydrotermalnych lub suchych ska³ach w takich iloœciach, które tworz¹ zasoby energii. Zbiorniki geotermalne z³o¿one s¹ ze ska³ o

wyso-kiej porowatoœci i przepuszczalnoœci, co sprzyja akumula-cji du¿ych iloœci wód i zawartej w nich energii. Szacuje siê, ¿e gdybyœmy dysponowali odpowiednimi technologiami do wykorzystania wód geotermalnych i energii geotermal-nej na wielk¹ skalê do produkcji elektrycznoœci i ciep³a, to zasoby pochodzenia geotermalnego, teoretycznie mo¿liwe do wykorzystania, zapewni³yby œwiatu pokrycie zapotrze-bowania na energiê na kolejne tysi¹clecie.

Szczególnie sprzyjaj¹ce warunki powstania systemów geotermalnych o bardzo wysokich temperaturach istniej¹ w obrêbie p³yt litosfery, do których dop³ywa gor¹ca mag-ma i w których dzia³aj¹ procesy tektoniczne. Potencja³ geo-termalny aktywnych krawêdziowych stref p³yt litosfery pozostaje w prostej relacji do anomalnie wysokich warto-œci strumienia cieplnego, spowodowanego przez intensyw-ny magmatyzm i wulkanizm. W takich strefach na g³êbokoœciach od kilkuset do kilku tysiêcy metrów znaj-duj¹ siê, w ska³ach zbiornikowych, z³o¿a pary wodnej o temperaturach powy¿ej 150°C (ryc. 1). Stwierdzane s¹ one na powierzchni Ziemi w postaci Ÿróde³ i gejzerów.

Przyk³adem wykorzystania wysokotemperaturowej ener-gii geotermalnej s¹ takie kraje jak Filipiny, Meksyk, USA, W³ochy i Islandia. W Islandii wykorzystuje siê wody i pary o temperaturze mniejszej od 150°C na g³êbokoœci œrednio 1000 m. Pary o temperaturze powy¿ej 200°C wystêpuj¹ na g³êbokoœciach z regu³y powy¿ej 1000–1500 m. Wykorzysty-wane s¹ do produkcji energii elektrycznej. Wody geotermalne niskotemperaturowe u¿ywane s¹ w ciep³ownictwie (90% mieszkañców Islandii pod³¹czonych jest do geotermalnej sie-ci sie-ciep³owniczej), balneologii, rekreacji, do celów technolo-gicznych oraz w przemyœle spo¿ywczym.

Islandia jest przyk³adem kraju, gdzie wody i pary geoter-malne wystêpuj¹ w zbiornikach podziemnych stosunkowo p³ytko i ich wykorzystywanie jest op³acalne ekonomicznie. Kraj ten zawdziêcza nieska¿one œrodowisko naturalne i miê-dzynarodow¹ promocjê w zakresie turystyki i balneologii sektorowi geotermalnemu (Kêpiñska, 2005).

Niskotemperaturowe systemy geotermalne w Europie. Systemy niskotemperaturowe (20–150°C) s¹ powszechne

1

Wydzia³ Geologii, Geofizyki i Ochrony Œrodowiska, Akademia Górniczo-Hutnicza, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków; wgorecki@agh.edu.pl

i wystêpuj¹ na znacznie wiêkszych obszarach w porówna-niu z systemami wysokotemperaturowymi.

Najwiêksze z³o¿a wód geotermalnych, które s¹ eksplo-atowane na kontynencie europejskim, znajduj¹ siê w base-nie paryskim (Francja), w basebase-nie panoñskim (po³o¿onym na terenie kilku pañstw: Wêgier, Serbii, S³owacji, S³owenii i Rumunii), w rejonie Ni¿u Europejskiego (m.in. w Niem-czech, Danii i Polsce), w paleogeñskich basenach Karpat wewnêtrznych (Polska i S³owacja), a tak¿e w alpejskich i starszych strukturach po³udniowej Europy (Bu³garia, Rumunia, Grecja i Turcja).

Wody geotermalne w Polsce. Polska, podobnie jak i inne kraje œrodkowej i zachodniej Europy, le¿y poza stre-fami wspó³czesnej aktywnoœci tektonicznej i wulkanicz-nej, st¹d te¿ uzyskanie z³ó¿ pary o du¿ej wydajnoœci wykorzystywanej do produkcji energii elektrycznej prak-tycznie nie jest u nas mo¿liwe. Posiadamy natomiast natu-ralne baseny sedymentacyjno-struktunatu-ralne wype³nione wodami geotermalnymi o zró¿nicowanych temperaturach. Udokumentowane temperatury eksploatacyjne tych wód wynosz¹ 20–96°C. Istniej¹ mo¿liwoœci rozpoznania dal-szych zasobów eksploatacyjnych wód geotermalnych o temperaturach 80–100°C, a w skrajnych przypadkach przewy¿szaj¹cych 100°C i wysokich wydajnoœciach. W Polsce bezwzglêdna wartoœæ temperatury wód zdeter-minowana jest powierzchniowymi zmianami intensywno-œci normalnego strumienia cieplnego Ziemi. Wartoœæ strumienia cieplnego waha siê od 25–40 mW/m2

na obsza-rze platformy prekambryjskiej do 50–90 mW/m2

w obrêbie platformy paleozoicznej i 50–80 mW/m2

w rejonie alpej-skiego orogenu Karpat.

Zasoby energii zwi¹zane s¹ z wodami podziemnymi wystêpuj¹cymi na ró¿nej g³êbokoœci w obrêbie jednostek geologicznych: Ni¿u Polskiego, Karpat, zapadliska przed-karpackiego i Sudetów. Wody i energia geotermalna mog¹ byæ wykorzystane do ró¿norodnych celów, co ilustruje wykres przedstawiony na rycinie 2.

Pozytywne cechy zasobów geotermalnych s¹ powszechnie znane, zalicza siê do nich:

‘odnawialnoœæ i niezale¿noœæ od zmiennych warun-ków klimatycznych i pogodowych;

‘mo¿liwoœæ wielokierunkowego wykorzystania zaso-bów wody i energii geotermalnej;

‘nisk¹ wra¿liwoœæ na wzrost cen noœników energii; ‘mo¿liwoœæ u¿ytkowania bez powodowania zak³óceñ

w œrodowisku naturalnym;

‘„czystoœæ ekologiczn¹”, co jest istotne w zwi¹zku z rygorystycznymi normami UE w zakresie ochrony œrodowiska, jak równie¿ i z tymi, które zostan¹ wprowadzone w przysz³oœci.

St¹d te¿ z biegiem czasu bêdzie systematycznie ros³a konkurencyjnoœæ energii geotermalnej w porównaniu do tradycyjnych form pozyskiwania energii ze Ÿróde³ kon-wencjonalnych i nieodnawialnych.

Badania w zakresie rozpoznawania i wykorzystywania wód geotermalnych

Badania w zakresie geotermii rozwinê³y siê w latach szeœædziesi¹tych XX w. i dotyczy³y podstawowej proble-matyki zwi¹zanej z rozk³adem pola geotermicznego w obrêbie jednostek geologicznych Polski. Synteza tych badañ zosta³a przedstawiona przez J. Majorowicza i S. Ple-wê na mapie strumienia cieplnego Europy (Èermak, 1979)

http://iga.igg.cnr.it (modified)

gor¹ce Ÿród³o

hot spring

zimna woda deszczowa

cold meteoric waters

obszar zasilania

recharge area

gor¹ca woda

hot water

przep³yw ciep³a (kondukcja)

flow of heat (conduction)

otwór geotermalny geothermal well zbiornik (konwekcja) reservoir (convection) intruzja magmy magmatic intrusion ska³y nieprzepuszczalne impermable caprock ska³y nieprzepuszczalne impermable caprock

Ryc. 1. Rejon strumienia pary geotermalnej wraz z jego elementami: obszar zasilania, nieprzepuszczalny nadk³ad, zbiornik i Ÿród³o ciep³a (Barbier, 1997)

oraz w licznych publikacjach i opracowaniach, których spis zosta³ przedstawiony w przegl¹dzie literatury geoter-malnej sporz¹dzonym pod redakcj¹ Góreckiego (2006).

Na szczególn¹ uwagê zas³uguje pionierska dzia³alnoœæ Pañstwowego Instytutu Geologicznego, prowadz¹cego badania geologiczne i wiertnicze formacji geologicznych, maj¹ce na celu rozpoznanie zasobów wód geotermalnych na Ni¿u Polskim. Wyniki badañ zosta³y przedstawione w licznych publikacjach i opracowaniach (m.in. Paczyñ-ski, 1976, 1977; P³ochniewPaczyñ-ski, 1985; Bojarski i in., 1979; Bojarski, 1985). Na podkreœlenie zas³uguj¹ publikacje Dowgia³³y, który analizowa³ perspektywy wystêpowania wód geotermalnych w Polsce (Dowgia³³o, 1972) oraz mo¿liwoœci ich wykorzystania do celów balneologicznych (Dowgia³³o i in., 1969).

Znacz¹cy wk³ad w rozwój geotermii na Ni¿u Polskim wnios³y zespo³y badawcze z Instytutu Gospodarki Surow-cami Mineralnymi i Energi¹ Polskiej Akademii Nauk z Krakowa i Politechniki Szczeciñskiej, co znalaz³o odzwierciedlenie w licznych publikacjach (m.in. Ney & Soko³owski, 1987; Soko³owski, 1988, 1997, 1998; Ney, 1992, 1997; Meyer & Sobañski, 1993; Meyer, 1994; Sobañ-ski & Nowak 1994; Nowak & SobañSobañ-ski, 1995; SobañSobañ-ski & Kabat, 1996; Kabat & Sobañski, 1998, 2000; Bujakowski, 1999, 2004; Paj¹k, 2000; Kêpiñska & £owczowska, 2002; Kêpiñska, 2004, 2005; Koz³owski & Malenta, 2004; Nowak & Borsukiewicz-Gozdur, 2004).

Pierwsze prace badawcze zwi¹zane z wykorzystaniem gor¹cych wód podziemnych i energii geotermalnej do celów utylitarnych podjête zosta³y w latach osiemdzie-si¹tych XX w. w Instytucie Surowców Energetycznych Akademii Górniczo-Hutniczej. W latach 1984–1987 w ramach programu badawczo-rozwojowego, finansowa-nego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wy¿szego, prowadzono badania regionalne nad mo¿liwoœci¹

wyko-rzystania wód geotermalnych z utworów dolnojurajskich na Ni¿u Polskim oraz z utworów paleogeñskich, neoge-ñskich i mezozoicznych Karpat. Zosta³y wstêpnie rozpo-znane i oszacowane zasoby wód geotermalnych w Polsce na podstawie wyników wierceñ przemys³u naftowego (Ney & Soko³owski, 1987).

Prze³omowym momentem w rozwoju badañ nad prak-tycznymi aspektami wykorzystania wód i energii geoter-malnej w Polsce by³o w³¹czenie w 1987 r. z inicjatywy R. Neya problematyki Wykorzystania ciep³a wód

geoter-malnych do Centralnego Programu

Badawczo-Rozwojo-wego (finansowanego przez Urz¹d Postêpu Nauko-wo-Technicznego i Wdro¿eñ) pod nazw¹ Ciep³ownictwo

i systemy ciep³ownicze.

Realizatorem programu zosta³ Instytut Surowców Energetycznych Akademii Górniczo-Hutniczej, a koordy-natorem badañ W. Górecki.

Zasadnicze cele badawcze i wdro¿eniowe obejmowa³y m.in.:

‘wybór optymalnych stref i z³ó¿ z punktu widzenia budowy zak³adów geotermalnych;

‘opracowanie metod obliczania i oceny zasobów energii cieplnej zawartej w wodach geotermalnych; ‘opracowanie technologii zagospodarowania z³ó¿

wód geotermalnych, a w szczególnoœci technologii wiercenia, udostêpnienia i eksploatacji oraz metod zat³aczania wód wykorzystanych;

‘budowê pilota¿owo-doœwiadczalnych zak³adów geotermalnych w niecce podhalañskiej i na Ni¿u Polskim.

Œrodki finansowe tego programu umo¿liwi³y sfor-mu³owanie programu badawczo-wdro¿eniowego zwi¹zane-go z wykorzystaniem wód geotermalnych z poziomu eoceñskiego na Podhalu. W ramach programu wykonane zosta³y geotermalne otwory wiertnicze, w tym odwiert Bia³y

ogr zewanie i ch³odzenie pr zy zastosowaniu pomp ciep³a space heating with heat pumps

para

saturated

steam

gor¹ca

woda

hot

water

ch³odnictwo refrigeration by ammonia absorbsion

produkcja masy papierowej digestion in paper pulp

produkcja m¹czki rybnej, suszenie drewna drying of fish meal

produkcja aluminium alumina via Bayer's process

produkcja ¿ywnoœci canning of food

rafinacja cukru evaporation in sugar refining

przetwórstwo spo¿ywcze ( pasteryzacja) evaporation

suszenie materia³ów budowlanych drying and curing of cement block

suszenie produktów rolnych drying of agricultural products

suszenie ryb drying of stock fish

ogrzewanie pomieszczeñ space heating (building and greenhouses)

ch³odzenie cold storage

klimatyzacja air conditioning

hodowla zwierz¹t animal husbandry

podgrzewanie gleby soil warming

rekreacja, balneologia, topienie lodu i œniegu swimming pools, de-icig

hodowla ryb fish farming

Ryc. 2. Diagram Lindala (1973) Fig. 2. Lindal diagram (1973)

Dunajec PAN-1, co stworzy³o podstawy budowy Doœwiad-czalnego Zak³adu Geotermalnego Bañska–Bia³y Dunajec (Soko³owski, 1987). Nastêpnie wykonano otwory: Poronin PAN-1 i Furmanowa PIG-1. Znaczny wzrost kosztów wier-ceñ w latach 1988 i 1989 spowodowa³, ¿e przewa¿aj¹c¹ czêœæ nak³adów finansowych przeznaczonych na cele badawcze na Ni¿u Polskim wykorzystano na realizacjê wierceñ na Podhalu. Decyzj¹ Urzêdu Postêpu Nauko-wo-Technicznego i Wdro¿eñ w Warszawie w 1989 r. wyod-rêbniono wdro¿eniowy program badawczy WJP nr 495 pod nazw¹ Doœwiadczalny Zak³ad Geotermalny Bia³y Dunajec realizowany w Centrum Podstawowych Problemów Gospo-darki Surowcami Mineralnymi i Energi¹ Polskiej Akademii Nauk w Krakowie i koordynowany przez Juliana Soko³owskiego.

Realizuj¹c w latach 1987–1990 w Akademii Górni-czo-Hutniczej program badawczy na Ni¿u Polskim, opraco-wano zasady oceny zasobów geotermalnych, uwzglêdniaj¹c metodykê i klasyfikacjê stosowan¹ w krajach Unii Europej-skiej. Opisano warunki hydrogeologiczne, geotermiczne i chemizm wód zbiornika dolnokredowego i dolnojurajskie-go. Istotnym elementem badañ by³a problematyka techniki i technologii wierceñ otworów eksploatacyjnych i zat³a-czaj¹cych oraz ocena efektywnoœci ekonomicznej pozyska-nia energii geotermalnej.

Badania nad wodami i energi¹ geotermaln¹, prowadzo-ne w latach osiemdziesi¹tych w Akademii Górniczo-Hut-niczej, znalaz³y odzwierciedlenie w licznych publikacjach, opracowaniach i organizowanych konferencjach. Podsu-mowaniem badañ by³o opublikowanie Atlasu wód

geoter-malnych na Ni¿u Polskim (Górecki, 1990). Dzia³ania te

mia³y na celu przybli¿enie mo¿liwoœci wykorzystania wód i energii geotermalnej spo³ecznoœciom lokalnym, w³adzom samorz¹dowym i potencjalnym inwestorom.

W 1987 r. utworzono, w Instytucie Surowców Energe-tycznych AGH, Zak³ad Geotermii z interdyscyplinarnym zespo³em specjalistów z zakresu geologii, hydrogeologii, geochemii, sejsmiki, geofizyki wiertniczej, wiertnictwa, ciep³ownictwa, aplikacji komputerowych i ocen ekonomicz-nych. W Zak³adzie Geotermii prowadzi siê badania podsta-wowe i wdro¿eniowe dotycz¹ce rozpoznania optymalnych stref geotermalnych w basenach sedymentacyjnych Polski, metodyki oceny zasobów, eksploatacji i zat³aczania wód, obliczeñ efektywnoœci ekonomicznej i projektowania instala-cji geotermalnych. Równoczeœnie utworzono specjalnoœæ Odnawialne ród³a Energii, co umo¿liwi³o m.in. kszta³cenie specjalistów w zakresie geotermii.

Z inicjatywy Instytutu Surowców Energetycznych AGH i Pañstwowego Instytutu Geologicznego wykonano w niecce mogileñsko-³ódzkiej dwa otwory wiertnicze w miejscowoœci Uniejów (Uniejów AGH-1 i Uniejów AGH-2). Czêœæ projektow¹, techniczn¹ i technologiczn¹ zwi¹zan¹ z wykorzystywaniem ciep³a wód geotermalnych w Uniejowie wykonali specjaliœci G³ównego Biura Stu-diów i Projektów Energetycznych Energoprojekt w War-szawie i Instytutu Surowców Energetycznych AGH (Chmielecki & Drabent, 1989; Chrz¹stowski i in., 1989; Górecki, 1989; Górecki & KuŸniak, 1989; Górecki & Soboñ, 1989; Bojarski & Soko³owski, 1991; Górecki, 1993). Powy¿sze prace umo¿liwi³y w nastêpnych latach zbudowanie zak³adu geotermalnego w Uniejowie.

W latach 1990–1995 w Zak³adzie Surowców Energe-tycznych AGH prowadzono systematyczne badania nad ocen¹ zasobów wód i energii geotermalnej. Realizowano projekt badawczy finansowany przez Komitet Badañ Naukowych pt. Okreœlenie odnawialnych zasobów energii

geotermalnej na Ni¿u Polskim. Podsumowanie badañ

opublikowano w 1995 r. w Atlasie zasobów energii

geoter-malnej na Ni¿u Polskim (Górecki, 1995).

W latach 1999–2001 zespó³ badawczy Zak³adu Surow-ców Energetycznych AGH wspó³uczestniczy³ w przygoto-waniu edycji Atlasu zasobów geotermalnych Europy (Hurter & Haenel, 2002).

W latach 1996–1999 w Zak³adzie Surowców Energe-tycznych AGH prowadzono prace badawcze zwi¹zane z analiz¹ mo¿liwoœci budowy zak³adów geotermalnych w miastach na Ni¿u Polskim, w których warunki hydro-geotermalne i lokalny rynek ciep³owniczy gwarantowa³yby wykorzystanie wód i energii w sposób ekonomicznie uza-sadniony (Górecki, 1996, 1999).

Dokonano wyboru kilkudziesiêciu miast, dla których opracowano koncepcjê zagospodarowania ciep³a wód geo-termalnych na drodze trójetapowej selekcji.

Miasta, które znalaz³y siê w grupie do szczegó³owej analizy, spe³nia³y nastêpuj¹ce warunki:

‘dysponowa³y dostatecznie dobrymi warunkami hydrogeotermalnymi;

‘posiada³y odpowiednich odbiorców ciep³a i wyra-zi³y zainteresowanie realizacj¹ przedsiêwziêæ geo-termalnych obecnie lub w przysz³oœci;

‘obliczony jednostkowy koszt przesy³ania ciep³a geotermalnego na poziomie ujêcia by³ ni¿szy od obowi¹zuj¹cej ceny urzêdowej na energiê ciepln¹. W przypadku wiêkszoœci miast zaproponowano koncep-cjê zagospodarowania ciep³a geotermalnego na rzecz odbiorców ciep³a w sektorze bytowo-komunalnym, ponie-wa¿ sektor ten poch³ania oko³o 40% krajowego zu¿ycia energii pierwotnej i jest on obiektem szczególnej uwagi w³adz samorz¹dowych, bêd¹cych inicjatorami przedsiê-wziêæ w dziedzinie gospodarki cieplnej. Ponadto, wymaga-ne temperatury mediów grzewczych w tym sektorze pozwalaj¹ wykorzystywaæ wody geotermalne w celach ciep³owniczych, a wiêkszoœæ miejskich systemów ciep³o-wniczych w kraju charakteryzuje siê znacznym wyeksplo-atowaniem i niekorzystnym oddzia³ywaniem na œrodowisko naturalne. Proponowane koncepcje zagospodarowania ciep³a geotermalnego oparto na zasadzie dostosowania instalacji geotermalnych do istniej¹cych konsumentów energii cieplnej oraz aktualnie funkcjonuj¹cych systemów ciep³owniczych.

G³ówne cele strategiczne koncepcji ciep³owni geoter-malnych opracowanych dla miast na Ni¿u Polskim by³y nastêpuj¹ce (Kotyza, 2006):

‘poprawa stanu œrodowiska naturalnego w miastach; likwidacja rozproszonych niewydolnych Ÿróde³ ciep³a b¹dŸ modyfikacja istniej¹cych systemów zaopatrzenia w ciep³o, w celu ograniczenia emisji zanieczyszczeñ py³owych i gazowych;

‘stabilizacja i ewentualne obni¿enie ponoszonych kosztów produkcji energii cieplnej oraz zwiêkszenie jakoœci us³ug ciep³owniczych; stymulowanie dalsze-go rozwoju miast poprzez rozwój jednedalsze-go z wa¿niej-szych elementów infrastruktury;

‘stworzenie warunków dla rozwoju dziedzin s³abo rozwiniêtych b¹dŸ nowych, jak np.: ogrodnictwo, balneologia i rekreacja; zagospodarowanie nadwy-¿ek niskotemperaturowego ciep³a geotermalnego prowadz¹ce w przysz³oœci do wzrostu rentownoœci przedsiêwziêæ geotermalnych;

‘centralizacja dostaw ciep³a w miastach, gdzie jest ona ograniczona b¹dŸ nie istnieje, obejmuj¹ca g³ównie budownictwo wielorodzinne, sektor

us³ugowy oraz czêœæ przemys³owego, uporz¹dko-wanie gospodarki cieplnej, zwiêkszenie dostêpu do us³ug ciep³owniczych dla wspólnot miejskich. W efekcie przeprowadzonych analiz wyró¿niono na obszarze niecki mogileñsko-³ódzkiej, szczeciñskiej i war-szawskiej miasta, które posiadaj¹ bardzo korzystne warunki geologiczne, hydrogeologiczne oraz odpowiedni rynek odbiorców ciep³a dla budowy instalacji geotermalnych.

Jednym z przyk³adów mo¿liwoœci wykorzystania wód i energii geotermalnej jest Ko³o, zlokalizowane nad rzek¹ Wart¹ we wschodniej czêœci województwa wielkopolskiego. Zaprojektowana przez zespó³ AGH ciep³ownia geoter-malna wspó³pracuj¹ca z kot³ami szczytowymi pokryje 80% potrzeb ciep³owniczych miasta w zakresie centralne-go ogrzewania i przycentralne-gotowania ciep³ej wody u¿ytkowej dla budownictwa wielorodzinnego i ok. 50% tych potrzeb w budynkach u¿ytecznoœci publicznej. Zasiêg obs³ugi ciep³owni geotermalnej bêdzie zbli¿ony do zasiêgu obec-nie funkcjonuj¹cej ciep³owni miejskiej, która po moderni-zacji stanowiæ bêdzie szczytowe oraz rezerwowe Ÿród³o ciep³a dla miasta. Istnieje mo¿liwoœæ zagospodarowania znacznych nadwy¿ek ciep³a geotermalnego w okresie let-nim i wiosenno-jesiennym na potrzeby, np. kompleksu basenów otwartych lub innych odbiorców, co dodatkowo zwiêkszy efektywnoœæ finansow¹ inwestycji.

Zak³ada siê, ¿e ciep³ownia geotermalna bêdzie praco-waæ przy nominalnych temperaturach zasilania i powrotu, odpowiednio – 130/70°C. W oko³o 82% dostawy ciep³a na rzecz odbiorców pochodziæ bêd¹ z wód geotermalnych, pozosta³e 18% ze spalania oleju opa³owego. Funkcjonowa-nie ciep³owni geotermalno-gazowej pozwoli unikn¹æ spa-lenia 18 000 ton wêgla kamiennego rocznie, co doprowadzi do znacz¹cego obni¿enia emisji zanieczyszczeñ gazowych i py³owych w mieœcie (o ok. 25%).

Op³acalnoœæ wykorzystania wód geotermalnych i energii geotermalnej

Na op³acalnoœæ wykorzystywania zasobów wód geoter-malnych maj¹ wp³yw czynniki zale¿ne od warunków hydro-geotermalnych wystêpuj¹cych na danym obszarze, w tym:

‘wydajnoœæ eksploatacyjna wód podziemnych; ‘temperatura wód geotermalnych;

‘g³êbokoœæ zalegania warstwy wodonoœnej; ‘sk³ad chemiczny wody/mineralizacja.

Najwa¿niejszymi czynnikami hydrogeotermalnymi decyduj¹cymi o op³acalnoœci budowy zak³adu geotermal-nego s¹ temperatura i wydajnoœæ. Temperatura eksploata-cyjna wody wynika z temperatury z³o¿owej, pomniejszonej o wartoœæ spadku temperatury w czasie wydobywania wody na powierzchniê. Niestety wraz ze wzrostem g³êbokoœci zarówno roœnie temperatura z³o¿owa, jak i nastêpuje pogorszenie warunków eksploata-cyjnych. Wydajnoœæ, z kolei, uzale¿niona jest w znacznej mierze od potencja³u hydrodynamicznego. Szczególnie korzystne s¹ tu warunki artezyjskie zapewniaj¹ce samo-czynny wyp³yw wód na powierzchniê. Pojawiaj¹ siê one tam, gdzie powierzchnia potencjometryczna swobodnego s³upa wody uk³ada siê ponad powierzchni¹ ziemi. Obok wydajnoœci i temperatury liczy siê tak¿e stopieñ minerali-zacji wód. Ogólnie wiadomo, i¿ zasolenie wód wg³êbnych, a zatem ich ciê¿ar w³aœciwy, roœnie wraz z g³êbokoœci¹ wystêpowania horyzontów wodonoœnych. Wzrost minera-lizacji wód zwiêksza ich lepkoœæ, przyczyniaj¹c siê do zmniejszenia wydajnoœci i wp³ywaj¹c na niekorzystne zwiêkszenie eksploatacyjnego spadku temperatury. Na tle

tak zarysowanego uk³adu wzajemnych zale¿noœci pojawia siê zasadniczy dylemat geologiczny: czy poszukiwaæ wód ciep³ych na du¿ych g³êbokoœciach w œrodkowej czêœci basenu sedymentacyjnego, czy te¿ na ma³ych g³êbokoœ-ciach w strefach krawêdziowych (Górecki, 2000).

W g³êboko pogr¹¿onych strefach centralnych basenu czynnikiem korzystnym jest wysoka temperatura z³o¿owa wód. Wystêpuj¹ tutaj wody na ogó³ wysoko zmineralizo-wane, a ska³y wodonoœne, reprezentowane przez g³êbsze facje basenu, poddane zmianom diagenetycznym maj¹ gor-sze w³aœciwoœci zbiornikowe, co ogranicza wydajnoœci i mo¿liwoœci zat³aczania wody w warstwê ch³onn¹.

Celem eksploatacji geotermalnej jest uzyskanie wód o najwy¿szej temperaturze z³o¿owej i eksploatacyjnej, maksymalnej wydajnoœci w warunkach artezyjskich i o najni¿szej mineralizacji.

Na ekonomiczn¹ zasadnoœæ wykorzystywania wód i energii geotermalnej maj¹ wp³yw koszty wierceñ zale¿ne od g³êbokoœci wystêpowania warstwy wodonoœnej, odleg³oœæ miêdzy miejscami pozyskiwania gor¹cej wody a u¿ytkownikiem energii geotermalnej, koncentracja zapo-trzebowania na ciep³o w obszarze jej odbioru i roczny wspó³czynnik obci¹¿enia systemu odbioru energii geoter-malnej, co wp³ywa na jednostkowe koszty produkcji ciep³a.

Istotnym czynnikiem, maj¹cym wp³yw na rozwój ener-getyki geotermalnej, jest proekologiczna polityka pañstwa wyra¿ana poprzez dostêpnoœæ œrodków finansowych na preferencyjnych zasadach, utworzenie funduszu gwaran-cyjnego na pierwszy otwór wiertniczy, zminimalizowanie op³at za korzystanie z informacji geologicznych i op³at za koncesje.

P³ytka geotermia – niskotemperaturowe uk³ady grzewcze z pompami ciep³a

System niskotemperaturowych uk³adów grzewczych z pompami ciep³a rozwija siê na du¿¹ skalê na ca³ym œwie-cie, równie¿ w Polsce. Pompa ciep³a zamienia energiê ciepln¹ zakumulowan¹ w gruncie lub wodach gruntowych i podziemnych (dolne Ÿród³o ciep³a) na energiê u¿yteczn¹ s³u¿¹c¹ do ogrzewania i przygotowania ciep³ej wody u¿yt-kowej (górne Ÿród³o ciep³a). System oparty na pompie ciep³a wymaga odpowiedniego wykonania dolnego Ÿród³a ciep³a. Powszechnie stosuje siê dwa uk³ady dolnego Ÿród³a ciep³a (Kotyza, 2006):

‘uk³ad zamkniêty, realizowany w postaci: kolektora gruntowego poziomego w formie rur polietylenowych, wewn¹trz których kr¹¿y p³yn niezamarzaj¹cy (wodny roz-twór glikolu) transportuj¹cy ciep³o; lub kolektora grunto-wego pionogrunto-wego, wykonanego jako wymiennik w kszta³cie litery U z polipropylenowych rur wype³nionych niezamar-zaj¹cym p³ynem, umieszczanego w pionowych odwiertach o g³êbokoœci 15–100 m;

‘uk³ad otwarty, zbudowany ze studni g³êbinowych pozwalaj¹cych na pozyskiwanie energii z wód podziem-nych; predysponowany do wykorzystania ze wzglêdu na sta³¹ temperaturê, a przez to wysok¹ roczn¹ zdolnoœæ grzewcz¹; w którym woda po sch³odzeniu o 4°C w pompie ciep³a zostaje odprowadzona do drugiej studni ch³onnej oddalonej o oko³o 15 m.

Wybór optymalnego systemu jest determinowany odpo-wiedni¹ analiz¹ warunków geologicznych i wielkoœci¹ zapo-trzebowania na ciep³o. Niskotemperaturowy uk³ad gruntowy z pomp¹ ciep³a znajduje szerokie zastosowanie m.in. do ogrzewania budynków jedno- i wielorodzinnych, budynków komunalnych (szkó³, szpitali) i obiektów sakralnych.

Wyko-rzystujemy pompy ciep³a do przygotowania ciep³ej wody u¿ytkowej oraz w ogrodnictwie, warzywnictwie i rekreacji.

Zastosowanie pomp ciep³a umo¿liwia projektowanie zarówno ogrzewania grzejnikowego (z uzyskanymi tempe-raturami oko³o 50°C), jak i pod³ogowego (35°C). Na uwa-gê zas³uguje niski koszt eksploatacji i szybki zwrot nak³adów inwestycyjnych.

Wnioski

Dotychczasowe badania i analizy formacji mezozoicz-nych i paleozoiczmezozoicz-nych udowadniaj¹, ¿e w wielu miastach Ni¿u Polskiego mo¿liwe jest wykorzystanie wód i energii geotermalnej pod warunkiem spe³nienia nastêpuj¹cych kryteriów:

‘w obrêbie miast znajduj¹ siê formacje geologiczne ze zbiornikami geotermalnymi o dostatecznie dobrych warunkach temperaturowych i wydajno-œciach, co gwarantuje wielokierunkowe wykorzysta-nie wód i energii geotermalnej (ryc. 2);

‘energia uzyskana z wód geotermalnych bêdzie wykorzystywana w miejscach wydobywania wód; zasoby eksploatacyjne bêd¹ wiêc ograniczone do rejonów miast, rejonów przemys³owych, rolniczych i rekreacyjno-wypoczynkowych;

‘ze wzglêdu na znaczn¹ kapita³och³onnoœæ inwestycji geotermalnych lokalny rynek ciep³owniczy powi-nien byæ bardzo atrakcyjny, zdolny do przyci¹gniê-cia inwestorów.

Literatura

BARBIER E. 1997 – Nature and technology of geothermal energy. A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Vol.1. Elsevier Science.

BOJARSKI L. 1985 – Wody termalne jury dolnej na Ni¿u Polskim. [W:] Stan rozpoznania wód termalnych. Mat. Symp. 24–25.10, Kraków. BOJARSKI L., P£OCHNIEWSKI Z. & STACHOWIAK J. 1979 – Wody termalne NE czêœci monokliny przedsudeckiej. Prz. Geol, 27, 11: 624–628.

BOJARSKI L. & SOKO£OWSKI A. 1991 – Dokumentacja zasobów wód geotermalnych w kategorii C i D z utworów kredy dolnej w rejo-nie Urejo-niejowa. Centr. Arch. Geol. Pañstw. Inst. Geol., Warszawa. BUJAKOWSKI W. 1999 – Geothermal Projects in Poland. Tech. Poszuk. Geol., 4–5.

BUJAKOWSKI W. 2004 – Przegl¹d wybranych zak³adów i projektów geotermalnych w Polsce. [W:] Materia³y Miêdzynarodowych Dni Geo-termalnych „Polska 2004”. Wyd. Sigmie PAN, Kraków.

ÈERMAK V. 1979 – Heat Flow Map of Europe. [In:] Terrestrial Heat Flow in Europe. Springer Verlag.

CHMIELECKI A. & DRABENT J. 1989 – Szacunkowe okreœlenie zapo-trzebowania ciep³a dla miasta Uniejowa oraz wskazanie miejsc usytu-owania wymiennikowni optymalnych pod wzglêdem ciep³owniczym. CHRZ¥STOWSKI J., WÊC£AWIK S. & RAJCHEL L. 1989 – Pro-gnozy wykorzystania wód termalnych dla celów balneologicznych i ciep³owniczych w rejonie Uniejowa. Arch. ZSE AGH, Kraków. DOWGIA££O J. 1972 – Wystêpowanie i perspektywy dalszego wystê-powania wód geotermalnych w Polsce. Balneol. Pol., 17.

DOWGIA££O J., KARSKI A. & POTOCKI I. 1969 – Geologia surow-ców balneologicznych. Wyd. Geol., Warszawa

GÓRECKI W. 1989 – Perspektywy i mo¿liwoœci wykorzystania wód geotermalnych w Polsce. Zesz. Nauk. AGH, 1293, Geol., 44. GÓRECKI W. (red.) 1990 – Atlas wód geotermalnych Ni¿u Polskiego. Objaœnienia tekstowe. Wyd. AGH, Kraków.

GÓRECKI W. (red.) 1993 – Metodyka oceny zasobów energii wód geotermalnych w Polsce. Ekspertyza 12/93 MOŒZNiL. Arch. ZSE AGH, Kraków.

GÓRECKI W. (red.) 1995 – Atlas zasobów energii geotermalnej na Ni¿u Polskim. ZSE AGH i Towarzystwo Geosynoptyków GEOS, Kraków. GÓRECKI W. (red.) 1996 – Studium mo¿liwoœci inwestycyjnych nad wykorzystaniem energii geotermalnej w zbiornikach dolnojurajskim i dolnokredowym w synklinorium mogileñsko-³ódzkim na Ni¿u Pol-skim. Arch. ZSE AGH, Kraków.

GÓRECKI W. (red.) 1999 – Modele geotermalne formacji mezozo-icznej na obszarze niecki warszawskiej konstruowane z wykorzysta-niem systemu Landmark i studium techniczno-ekonomiczne. ZSE AGH, Kraków.

GÓRECKI W. (red.) 2000 – Analiza geologiczna i ocena zasobów wód i energii geotermalnej w formacjach jury œrodkowej oraz triasu na Ni¿u Polskim. Projekt KBN. Arch. ZSE AGH, Kraków.

GÓRECKI (red.) 2006 – Atlas zasobów geotermalnych na Ni¿u Pol-skim. Wyd. AGH, Kraków.

GÓRECKI W. & KUNIAK T. 1989 – Koncepcja wykorzystania dol-nokredowych wód geotermalnych w rejonie miasta Uniejowa. Spr. CBPR 5.2 kier. nr 5 Kraków, czerwiec 1989 r.

GÓRECKI W. & SOBOÑ J. 1989 – Projekt instalacji do zat³aczania wód geotermalnych w zak³adzie geotermalnym na obszarze subbasenu szcze-ciñsko-³ódzkiego. Spr. CPBR 5.2. kier. nr 5 Kraków, czerwiec 1989 r. HURTER S. & HAENEL R. (eds.) 2002 – Atlas of geothermal resour-ces in Europe. Office for the Official Publications of the European Communities, Luxemburg.

KABAT M. & SOBAÑSKI R. 1998 – Sposoby zagospodarowania wód geotermalnych w ogrzewnictwie scentralizowanym. C.O.W. nr 10, paŸ-dziernik 1998; nr 11, listopad 1998.

KÊPIÑSKA B. 2003 – Current geothermal activities and prospects in Poland an overview. Geothermics, 32.

KÊPIÑSKA B. 2004 – Podhalañski system geotermalnych i projekt ciep³owniczy – przegl¹d problematyki. [W:] Materia³y miêdzynarodo-wej konferencji „Miêdzynarodowe dni geotermalne Polska 2004”, 13–17 wrzeœnia, Kraków–Skopje.

KÊPIÑSKA B. 2005 – Œwiatowy Kongres Geotermalny Turcja 2005. Tech. Poszuk. Geol., 6.

KÊPIÑSKA B. & £OWCZOWSKA A. 2002 – Wody geotermalne w lecznictwie, rekreacji i turystyce. Wyd. IGSMiE PAN.

KOTYZA J. 2006 – Zastosowanie niskotemperaturowych uk³adów grzewczych z pompami ciep³a. [W:] W. Górecki (red.) Atlas zasobów geotermalnych na Ni¿u Polskim. Wyd. AGH, Kraków: 84-86. KOZ£OWSKI T. & MALENTA Z. 2004 – Ciep³ownia geotermalna w Stargardzie. Mat. do Atlasu zasobów geotermalnych. Formacja mezo-zoiczna. Arch. ZSE AGH, Kraków.

LINDAL B. 1973 – Industrial and other applications of geothermal energy, except power production and district heating. [In:] Amstead H.C.H. (ed.) Geothermal energy: review of research and development. Paris, UNESCO, LC, 72-97138: 135–148.

MEYER Z. & SOBAÑSKI R. 1993 – Pierwszy w Polsce ciep³owniczy zak³ad geotermalny w Pyrzycach. Tech. Poszuk. Geol., 5–6.

NEY R. 1992 – Wyniki badañ nad mo¿liwoœciami wykorzystania ener-gii geotermalnej w Polsce. Nauka Polska, 4: 37–49.

NEY R. 1997 – Zasoby energii geotermalnej w Polsce i mo¿liwe kie-runki jej wykorzystania. Seminarium naukowe. Wyd. IGSMiE PAN. Kraków – Zakopane

NEY R. & SOKO£OWSKI J. 1987 – Wody geotermalne Polski i mo¿liwoœci ich wykorzystania. Nauka Polska, 6.

NOWAK W. & BORSUKIEWICZ-GOZDUR A. 2004 – Binary Geo-thermal Power Plant with Absorption Cooler. [In:] XIV Internationale Tagung Forschung, Didaktik und Praxis im modern Maschinenbau, Stralsund.

NOWAK W. & SOBAÑSKI R. 1995 – Sposoby wykorzystania energii geotermalnej. II Konf. pt. „Energia odnawialna w ochronie œrodowi-ska”. Szczecin.

PACZYÑSKI B. 1976 – Atlas zasobów zwyk³ych wód podziemnych i ich wykorzystanie w Polsce. Wyd. Geol., Warszawa.

PACZYÑSKI B. 1977 – Regionalizacja ogólna wód podziemnych Pol-ski. Kwart. Geol., 21, 4.

PAJ¥K L. 2000 – Usage of existing deep bore-holes as heat

exchangers. [In:] Proceedings of the World Geothermal Congress 2000 Kyushu–Tohou, Japan.

P£OCHNIEWSKI Z. 1985 – Wystêpowanie i mo¿liwoœci wykorzysta-nia wód geotermalnych w niecce mogileñsko-³ódzkiej. [W:] Stan roz-poznania w termalnych. Mat. Symp. 24–25.10, Kraków.

SOBAÑSKI R. 2000 – Jak pozyskaæ ciep³o z g³êbi Ziemi? Centralny Oœrodek Informacji Budownictwa, Warszawa.

SOBAÑSKI R. & KABAT M. 1996 – System geotermalny w Pyrzycach. Tech. Poszuk. Geol., 3–4.

SOBAÑSKI R. & NOWAK W. 1994 – Ciep³ownie geotermalne. [W:] II Konf. pt. „Racjonalizacja u¿ytkowania energii i œrodowiska”. Szczyrk. SOKO£OWSKI J. 1987 – Mo¿liwoœci wykorzystania wód geotermalnych dla uzupe³nienia bilansu energetycznego Polski. Mat. Konf. Wo³omin. SOKO£OWSKI J. 1988 – Warunki wystêpowania wód geotermalnych w Polsce i program ich wykorzystania na Podhalu. Tech. Poszuk. Geol., 1–2.

SOKO£OWSKI J. 1997 – Metodyka oceny zasobów geotermalnych i warunki ich wystêpowania w Polsce. Mat. Polskiej Szko³y Geotermal-nej. III Kurs. Wyd. PGA i CPPGSMiE PAN, Kraków–Straszêcin. SOKO£OWSKI J. 1998 – Ocena mo¿liwoœci wykorzystania energii geotermalnej dla ochrony œrodowiska przyrodniczego w województwie olsztyñskim. Tech. Poszuk. Geol., 3.

Praca wp³ynê³a do redakcji 22.03.2010 r. Po recenzji akceptowano do druku 29.04.2010 r.