Aleksandra KASZTELEWICZ
Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi¹ Polska Akademia Nauk
Zak³ad Energii Odnawialnej ul. Wybickiego 7, 31-261 Kraków
Technika Poszukiwañ Geologicznych Geotermia, Zrównowa¿ony Rozwój nr 1–2/2010
MODELOWE INSTALACJE OE REALIZOWANE W RAMACH PROJEKTU UNIJNEGO GEOCOM
STRESZCZENIE
W artykule zaprezentowano instalacje modelowe demonstruj¹ce skojarzone wykorzystanie OE i kon- wencjonalnych noœników energii. Instalacje te zostan¹ zmodernizowane lub zrealizowane w ramach Projektu GEOCOM finansowanego przez Uniê Europejsk¹ w ramach funduszy CONCERTO. Wspó³realizatorem projektu jest Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi¹ PAN. Instalacje demonstracyjne ulokowane s¹ na S³owacji (Galanta), Wêgrzech (Mórahalom) i we W³oszech (Montieri).
S£OWA KLUCZOWE
Instalacje OE, projekt GEOCOM, energia geotermalna
* * *
1. GALANTA – S£OWACJA
Miasto Galanta jest jednym z trzech miast pokazowych bior¹cych udzia³ w projekcie GEOCOM. Le¿y w po³udniowo-zachodniej S³owacji, 50 km od miasta sto³ecznego – Bratys³awy. Ludnoœæ miasta liczy 16 365 osób. Na jego obszarze wystêpuje wiele Ÿróde³ wód termalnych, energia geotermalna wykorzystywana jest do ogrzewnictwa od 1980 roku i jest jednym z pierwszych przyk³adów wykorzystania OE w by³ym bloku wschodnio- -europejskim.
Galanta otoczone jest przez wiele du¿ych i ma³ych cieków wodnych (Vah, Malý Dunaj, Dudvah). Istnieje równie¿ wiele Ÿróde³ na terenie miasta. ród³a te s¹ wykorzystywane do celów ciep³owniczych. System grzewczy sk³ada siê z trzech g³ównych instalacji ciep³ow-
Recenzowa³ dr in¿. Leszek Paj¹k
Artyku³ wp³yn¹³ do Redakcji 26.11.2010 r., zaakceptowano do druku 29.11.2010 r.
niczych bazuj¹cych na energii ciep³ych wód, wymienników ciep³a oraz odpowiedniego systemu dystrybucji. We wszystkich wymienionych Ÿród³ach wykorzystywany jest gaz ziemny jako noœnik ciep³a. Firma Bysprav Sp. z o.o. zabezpiecza produkcjê ciep³a oraz ciep³ej wody u¿ytkowej za pomoc¹ dwóch centralnych elektrociep³owni K11 i K12. Cie- p³ownia K11 wybudowana zosta³a w 1969 r. i do produkcji ciep³a u¿ywa³a 5 boilerów na paliwa sta³e. Od 1992 boilery pracuj¹ na gaz ziemny, co zwiêkszy³o efektywnoœæ produkcji ciep³a. Zainstalowana moc cieplna wynosi³a 11,64 MW. Od 1996 r. produkcja c.w.u.
realizowana jest w trzech podgrzewaczach o pojemnoœci 30 m3. Ciep³ownia K12 zosta³a wybudowana w 1973 o mocy cieplnej 1,86 MW (4 kot³y gazowe BG100/80 na gaz ziemny);
w 2000 r. zainstalowano dodatkowe 4 grzejniki Viessmann, co zwiêkszy³o produkowan¹ moc ciepln¹ do 9,54 MW. W 2006 r. pod³¹czono ciep³owniê K16.
Galantaterm sp. z o.o. (rys.1) jest jedn¹ z pierwszych firm na S³owacji, która od 1995 roku wykorzystuje energiê geotermaln¹ do produkcji ciep³a oraz ciep³ej wody u¿ytkowej dla czêœci miasta Galanta. Odbiorcami ciep³a pochodz¹cego z wód geotermalnych s¹ budynki mieszkalne (6–8 piêtrowe), szpital, dom staroœci, przedszkole, szko³a podstawowa oraz dwa sklepy spo¿ywcze. Pozosta³e zabudowania miasta ogrzewane s¹ gazem ziemnym.
Podstawowym Ÿród³em energii jest woda geotermalna produkowana przez dwa otwory:
FGG-2 (g³êbokoœæ 2101 m) i FFG-3 (g³êbokoœæ 2120 m) (rys. 2). Potencja³ energetyczny dostêpnych zasobów geotermalnych wynosi 3287 kW przy sch³odzeniu wody do 50°C.
Temperatura wody na g³owicy dla otworu FFG-2 wynosi 77°C i 78°C dla otworu FFG-3.
Z uwagi na ochronê Ÿród³a naturalnego oraz minimalizacjê mo¿liwego spadku ciœnienia w otworach maksymalny pobór z otworów wynosi odpowiednio 15,8 l/s oraz 18 l/s.
Pompowana z otworów woda jest wysoce zmineralizowan¹ wod¹ naturaln¹, wodorowê- Rys. 1. Budynek Galantaterm Sp. z o.o.
Fig. 1. Galantaterm LTD building
glanowo-siarczanow¹, siarokowodorowo-sodow¹ o wysokiej zawartoœci fluoru i krzemu (www.galantaterm.sk).
Ca³a produkcja sterowana jest przez komputer zgodnie z aktualnym zapotrzebowaniem na ciep³o. Wydobywana poprzez pompy woda geotermalna z otworów kierowana jest do stacji separacji, gdzie nastêpuje jej odgazowanie oraz oddzielenie cz¹steczek piasku. Woda geotermalna jest wykorzystywana poœrednio do ogrzewania, gdy¿ jej w³aœciwoœci fizykoche- miczne powoduj¹ inkrustacje i korozje rur dystrybucyjnych. Ze stacji woda przepuszczana jest przez wymienniki ciep³a i ogrzewa wodê sieciow¹, która jest dostarczana bezpoœrednio do indywidualnych systemów ogrzewania osiedla Sever oraz budynku szpitala. System geotermalny w Galancie jest tzw. systemem otwartym, zu¿yta woda geotermalna jest pro- wadzona do elektrowni wodnej Krá¾ová gdzie zostaje rozcieñczona i ostatecznie odprowa- dzona do rzeki Váh. Na trasie ruroci¹gu zrzutowego ciep³a woda geotermalna (28–40°C) jest wykorzystywana przez uzdrowisko termalne Galandia do podgrzewania budynku i wody w basenach (GEOCOM Framework Programme).
Firma Galantaterm posiada zaprezentowane na rysunku 3 cztery kot³y gazowe pe³ni¹ce rolê urz¹dzeñ szczytowo-awaryjnych Ÿróde³ energii o ³¹cznej mocy 13 100 kW (dwa kot³y o mocy 2560 kW oraz dwa o mocy 3900 kW) bêd¹ce pomocniczym Ÿród³em energii gdy temperatura na zewn¹trz spada do –2°C. Kot³ownia s³u¿y równie¿ jako Ÿród³o rezerwowe na wypadek awarii i zatrzymania produkcji z otworów geotermalnych.
Dzia³ania CONCERTO skupi¹ siê nad zwiêkszeniem wykorzystania energii geoter- malnej oraz jej integracji z innymi OE w celu osi¹gniêcia zrównowa¿onego rozwoju ogrzewania geotermalnego w Galancie. W ramach projektu przewiduje siê:
Rys. 2. Otwór geotermalny FFG-3 (Ÿród³o: www.galantaterm.sk) Fig. 2. Geothermal well FFG-3 (source: www.galantaterm.sk)
1. Termomodernizacjê trzech budynków mieszkalnych. Modernizacja bêdzie dotyczy³a pe³nej izolacji budynków (wymiana okien, drzwi, izolacja termiczna œcian). Ponadto bu- dynki te zostan¹ zintegrowane z OE poprzez wybudowanie systemu paneli fotowoltaicz- nych (moc powy¿ej 1,5 kW) dostarczaj¹cych energiê elektryczn¹ na oœwietlenie czêœci wspólnych budynków mieszkalnych.
2. Modernizacjê szko³y podstawowej wraz z integracj¹ z OE. Budynek szko³y bêdzie ogrzewany przy wykorzystaniu energii geotermalnej. Szko³a ma równie¿ wysokie zu¿ycie energii elektrycznej ze wzglêdu na koniecznoœæ oœwietlenia w ci¹gu dnia. W ramach projektu planowana bêdzie instalacja paneli fotowoltaicznych o wydajnoœci do 5 kW (prze- widywana roczna produkcja energii elektrycznej wynosi 5,3 MWh). Przeprowadzona zo- stanie równie¿ w tym celu kompleksowa modernizacja systemu oœwietlenia, co znacz¹co przyczyni siê do poprawy warunków edukacji dzieci.
3. Przeprowadzone zostan¹ równie¿ prace badawcze i projektowe dotycz¹ce wykonania otworu ch³onnego. Studium wykonalnoœci, badania i pe³na dokumentacja projektu odwiertu ch³onnego jest strategicznym elementem projektu i pozwala okreœliæ wytyczne dla dalszego rozwoju ogrzewania geotermalnego w miejscowoœci Galanta. Budowa otworu ch³onnego pozwoli:
– osi¹gn¹æ zrównowa¿ony rozwój energii geotermalnej, – usun¹æ zu¿yt¹ wodê,
– przed³u¿yæ okres eksploatacji zbiornika, – zachowaæ i utrzymaæ ciœnienie z³o¿a,
– uzyskaæ wiêksz¹ iloœæ wody ze zbiornika wód geotermalnych.
W Galancie otwór ch³onny zostanie wykonany w piaskowcach, co mo¿e tworzyæ prob- lemy zwi¹zane z zatykaniem warstwy wodonoœnej drobnym piaskiem. Z tego powodu Rys. 3. Kot³y w Galantaterm Sp. z o.o.
Fig. 3. Boilers in Galantaterm LTD
przeprowadzone zostan¹ badania geologiczne. Z punktu widzenia zrównowa¿onego roz- woju i ochrony œrodowiska bêdzie to wa¿ny krok, poniewa¿ obecnie rocznie ponad 500 000 m3 sch³odzonych wód geotermalnych jest zrzucane do rzeki Váh. Wed³ug wstêpnych badañ szacunkowych wykonanie otworu ch³onnego pozwoli zat³oczyæ spowrotem do z³o¿a 60–80%
wody (dok³adna wartoœæ zostanie ustalona w trakcie badañ, które s¹ czêœci¹ projektu).
4. Pod³¹czenie instalacji grzewczej gazowej z energi¹ geotermaln¹. Drugim zakresem dzia³añ CONCERTO jest pod³¹czenie do istniej¹cych ciep³owni (K12, K16) energii geo- termalnej. W okresach letnich energia ta nie jest w pe³ni wykorzystywana, a mog³aby pos³u¿yæ do przygotowania ciep³ej wody u¿ytkowej dla miasta, co znacznie zmniejszy koszty jej produkcji. Obecnie istniej¹ dwa kot³y grzewcze do produkcji c.w.u. o mocy 900 kW. W okresie letnim (od kwietnia do paŸdziernika – w zale¿noœci od pogody) praca kot³ów mo¿e byæ zatrzymana i zast¹piona produkcj¹ c.w.u. z geotermii. Pod³¹czenie to bêdzie realizowane za pomoc¹ systemu podwójnych ruroci¹gów (d³ugoœæ rur 2 ´ 1296 m), które zostan¹ w³¹czone do istniej¹cego uk³adu. Woda w nich p³yn¹ca bêdzie mia³a sta³¹ tem- peraturê 60°C (taka temperatura jest wykorzystywana do przygotowania c.w.u. w stacji wymienników). W stacji Bysprav zostan¹ zainstalowane dodatkowe wymienniki ciep³a.
Opisywane pod³¹czenie geotermii pozwoli dostarczyæ do obszaru CONCERTO od kwietnia do paŸdziernika do 9500 GJ (2600 MWh) ciep³a do produkcji c.w.u., zastêpuj¹c tym samym zu¿ycie ponad 130 000 m3gazu ziemnego (GEOCOM Framework Programme).
2. MÓRAHOLOM – WÊGRY
Mórahalom to ma³a miejscowoœæ po³o¿ona 21 km od Szeged. Populacja miasta wynosi 5838 mieszkañców. Miasto nie posiada centralnego ogrzewania, domy prywatne w wiêk- szoœci s¹ ogrzewane dostarczanym sieciowo gazem. Rocznie sprzedawane jest 2360 tys. m3 gazu sieciowego dla 1599 gospodarstw, co w przeliczeniu daje 1490,8 m3na jedno gospo- darstwo domowe. Pozosta³e 843 gospodarstw jest ogrzewane za pomoc¹ gazu LPG, pieców olejowych oraz drewnem opa³owym i wêglem. Jedynie instytucje publiczne posiadaj¹ w³asne kot³ownie; te które nie maj¹ równie¿ zaopatruj¹ siê w gaz sieciowy (202 instytucje zu¿ywaj¹ rocznie 1,659 tys. m3gazu, co daje 41% ca³kowitego obrotu).
Od 2009 roku w Mórahalom w ramach unijnego projektu CONCERTO uruchomiono Geotermalny System Kaskadowy. System ten zosta³ sfinansowany i oparty na badaniach zasobów geotermalnych przez Fundusz Strukturalny.
Najwy¿sze spodziewane temperatury wód termalnych w pó³nocno-po³udniowej osi re- jonu Mórahalom wynosz¹ 75–80°C. Spodziewana temperatura wyp³ywaj¹cej solanki mo¿e wynosiæ do 65–70°C przy wielkoœci przep³ywu strumienia oko³o 1500 m3/dobê. Z racji, ¿e w pó³nocnych terytoriach dolne warstwy formacji górnego panonu zalegaj¹ g³êbiej i spo- dziewane temperatury wyp³ywu mog¹ byæ wiêksze w tym rejonie nawet o 3–5°C otwór wydobywczy bêdzie siê znajdowa³ w pó³nocnej czêœci obszaru, a otwór zat³aczaj¹cy na po³udniu (rys. 4).
W 2009 r. zosta³y wywiercone otwory o g³êbokoœci 1300–1440 m, z których wyp³ywa woda geotermalna o temperaturze 28–35°C i wydajnoœci 30 m3/h (rys. 5). Natomiast
wydajnoœæ ciep³a przy zastosowaniu pomp ciep³a wynosi 700–800 kW. Obecnie woda wykorzystywana jest do podgrzewania Spa oraz wody w basenach (rys. 6).
System kaskadowy, który obecnie realizowany jest wspólnie z Wêgierskim Funduszem Strukturalnym jako element projektu CONCERTO, zostanie uzupe³niony o nowy element demonstruj¹cy wszechstronne wykorzystanie energii geotermalnej. Powstanie stacja pomp ciep³a o wysokim wspó³czynniku wydajnoœci grzewczej, do której poprzez lokaln¹ sieæ ciep³ownicz¹ zostan¹ pod³¹czone budynki „Nowego Miasta Centrum”. Zapotrzebowanie na dodatkow¹ moc elektryczn¹ dla stacji pomp ciep³a zostanie pokryte przy wykorzystaniu Rys. 4. Rozk³ad temperatur (°C) w sp¹gu warstw górnego panonu w regionie South Great Plain (GEOCOM Framework Programme: Atlas Zasobów Geotermalnych w Europie, 2002)
Fig. 4. Temperatures (°C) at the bottom of Upper-Pannonian layers in South Great Plain (GEOCOM Framework Programme: Atlas of Geothermal Resources in Europe, 2002)
Rys. 5. Otwór geotermalny w Móraholom wraz z separatorem gazu Fig. 5. Geothermal well in Móraholom
metanu, odzyskiwanego z wody geotermalnej wydobywanej nowym otworem wykonanym na potrzeby systemu, a nadmiar energii bêdzie wykorzystywany w oœrodku „Thermal Spa”.
Podobnie jak w Galancie dzia³ania Projektu skupi¹ siê równie¿ na modernizacji budyn- ków u¿ytecznoœci publicznej (szko³y podstawowej i œredniej). Modernizacja obejmie rów- nie¿ oœwietlenie publiczne w centrum miasta, zainstalowane zostan¹ panele fotowoltaiczne oraz oœwietlenie LED. System ten zmniejszy zapotrzebowanie na energiê o 35–45%.
Planowane jest równie¿ pozyskiwanie c.w.u. za poœrednictwem kolektorów s³onecznych dla instytucji publicznych (Centrum Kultury Mora, hala sportowa w gimnazjum, przed- szkole), które zast¹pi¹ przestarza³e kot³y gazowe o niskiej sprawnoœci. Produkcja ciep³ej wody u¿ytkowej w tych miejscach obejmuje znaczn¹ czêœæ kosztów energii, dodatkowo budynki s¹ s³abo izolowane termicznie (wskaŸnik zapotrzebowania na energiê ciepln¹ dla Hali sportowej wynosi 590 kWh/m2/rok). Wymienione budynki zapewniaj¹ c.w.u. dziennie oko³o 700 dzieciom, co w rocznym przeliczeniu wymaga spalenia 150 000 m3gazu ziemne- go. Planowany system kolektorów s³onecznych pokryje 64–68% zapotrzebowania na ener- giê do produkcji c.w.u. w przedszkolu i 75–77% w gimnazjum – hala sportowa.
W wyniku dzia³añ projektu GEOCOM, udzia³ OE w ca³kowitym zu¿yciu energii przez instytucje publiczne wzroœnie z 0% do ponad 80% w wyniku czego zostanie zaoszczêdzone rocznie oko³o 14 441 GJ energii pochodz¹cej z surowców kopalnych. 2620 kW mocy cieplnej zostanie dostarczone z systemu geotermalnego (165,000 HUF za 1 kW). System ten dodatkowo zredukuje emisjê CO2o 866 ton, emisjê NxOxo 318 kg i CO o 605 kg. Korzyœci¹ bêdzie równie¿ uniezale¿nienie siê od dostaw importowanego gazu i co za tym idzie jego cen (GEOCOM Framework Programme).
Rys. 6. Partnerzy projektu w Erzsebet Spa, Móraholom Fig. 6. Project partners in Erzsebet Spa, Móraholom
3. MONTIERI – W£OCHY
Montieri le¿y w prowincji Grosseto w Toskani (rys. 7). To œredniowieczne miasto liczy 1249 mieszkañców i zajmuje powierzchniê 108,61 km2. Obecnie miasto nie posiada geo- termalnej sieci ciep³owniczej. Budynki ogrzewane s¹ g³ównie za pomoc¹ biomasy i spora- dycznie gazu ziemnego. Wiêkszoœæ miasteczek w okolicach regionu Val di Cecina i Valle del Diavolo (gdzie znajduje siê Elektrownia Geotermalna Lardarello), korzysta z ciep³a wy- twarzanego z gor¹cej pary wodnej.
W ramach projektu zrealizowany zostanie wysoce innowacyjny system geotermalnej sieci ciep³owniczej przy zastosowaniu cieczy geotermalnej o wysokiej entalpii. Ponadto 20% budynków w Montieri zostanie poddanych modernizacji. W tym przypadku zostan¹ zastosowane tylko naturalne materia³y i metody zgodne ze œredniowieczn¹ struktur¹ miasta.
Kolejnym etapem Projektu bêdzie integracja z OE – budowa systemu paneli fotowol- taicznych o mocy 8,5 kW, który pos³u¿y jako g³ówne Ÿród³o energii elektrycznej dla zmodernizowanego systemu oœwietlenia Montieri. Ponadto zostan¹ zainstalowane kolektory s³oneczne o ca³kowitej powierzchni 42,5 m2, dostarczaj¹ce energiê ciepln¹ wykorzystywan¹ do ogrzewania i przygotowania ciep³ej wody u¿ytkowej dla budynków (g³ównie odleg³ych od centrum), nie pod³¹czonych do miejskiej sieci ciep³owniczej.
Dzia³ania CONCERTO dla Montieri
1. Realizacja innowacyjnego i wydajnego systemu ciep³owniczego przy wykorzystaniu wysokiej entalpii pary wodnej z otworu Montieri 4. Przewidziana dla miasta geotermalna sieæ ciep³ownicza bêdzie obs³ugiwaæ 425 budynków. P³yn geotermalny z odwiertu Montieri 4 Rys. 7. Montieri, W³ochy
Fig. 7. Montieri, Italy
ma temperaturê 200–215°C, ciœnienie: 15–20 barów. Przep³yw waha siê w zakresach 50–60 ton/h. Bior¹c pod uwagê iloœæ mieszkañ, które zostan¹ pod³¹czone do systemu ciep³ow- niczego (o ³¹cznej objêtoœci grzewczej 110 000 m3), moc cieplna potrzebna do ich ogrzania wyniesie 5500 kW. Dane te zosta³y opracowane na podstawie analizy cech morfologicznych obszaru geograficznego (wysokoœæ n.p.m., temperatury sezonowe, œrednia wartoœæ wil- gotnoœci w okresie letnim i zimowym).
2. Modernizacja 20% budynków w celu zmniejszenia zapotrzebowania na energiê oraz zoptymalizowania jej zu¿ycia za pomoc¹ innowacyjnych technik izolacji i wentylacji.
Montieri jest miastem historycznym tote¿ z tego powodu do modernizacji zostan¹ za- stosowane tylko naturalne materia³y i metody zgodne ze œredniowieczn¹ struktur¹ miasta.
W ramach tego punktu planuje siê zmniejszyæ zapotrzebowanie na zu¿ycie energii nawet o 47%.
3. Integracja OE z 8,5 kW systemem fotowoltaicznym do wytwarzania energii na potrzeby oœwietlenia publicznego. Ze wzglêdu na walory historyczne miasta instalacje paneli fotowoltaicznych i kolektorów s³onecznych na dachach nie s¹ w tym przypadku mo¿liwe, gdy¿ naruszy³yby œredniowieczny wygl¹d miasta. G³ównym obszarem integracji OE bê- dzie modernizacja ca³ego oœwietlenia publicznego w centrum. Tradycyjne oœwietlenie zo- stanie zast¹pione technologi¹ LED. Modu³y fotowoltaiczne o ³¹cznej mocy 8,5 kW bêd¹ dostarczaæ pr¹d do oœwietlenia ulic. Obecnie na oœwietlenie publiczne zu¿ywane jest 15 kW mocy. Drugim obszarem dzia³añ integracji OE s¹ kolektory s³oneczne o powierzchni 42,5 m2. Bêd¹ one zainstalowane w tych mieszkaniach, które nie bêd¹ pod³¹czone do sieci ciep³owniczej, co zapewni im dostawê c.w.u. przez ca³y rok.
PODSUMOWANIE
Omawiany powy¿ej zakres prac realizowanych w ramach projektu GEOCOM ma na celu zaprezentowaæ jak najlepsz¹ efektywnie metodykê zastosowania OE w systemach pro- dukcji energii cieplnej. Wdro¿enie innowacyjnych œrodków efektywnoœci energetycznej (modernizacja budynków, integracja z OE) bêdzie przede wszystkim dostosowane do potrzeb istniej¹cych systemów geotermalnych oraz odbiorców ciep³a. Dla miasta Galanta spodziewane jest uzyskanie 9500 GJ (2600 MWh) ciep³a do produkcji c.w.u., z geotermii zamiast z gazu ziemnego, dla Mórahalom zaoszczêdzone zostanie oko³o 14 441 GJ energii pochodz¹cej z surowców kopalnych rocznie. W Montieri wzrost udzia³u OE w produkcji ciep³a oraz c.w.u. bêdzie pokrywa³ 100% ca³kowitego zapotrzebowania.
LITERATURA
Geocom Project Seventh Framework Programme www.geotheramalcommunities.eu
www.galantaterm.sk
RES MODEL SYSTEMS IN THE GEOCOM EU PROJECT
ABSTRACT
The paper presents practical cases about systems using combined RES and conventional energy sources.
Models will be upgraded or implmented in UE 7h Framework Programme financed project GEOCOM. Among the partners is the Polish Academy of Science-Mineral and Energy Economy Research Institute. Presented model systems are located in Slovakia (Galant), Hungary (Mórahalom) and Italy (Montieri).
KEY WORDS
RES systems, GEOCOM project, geothermal energy
