Eleonora SOLIK-HELIASZ G³ówny Instytut Górnictwa 40-166 Katowice, plac Gwarków 1 e-mail: esolik@gig.eu
Technika Poszukiwañ Geologicznych Geotermia, Zrównowa¿ony Rozwój nr 1–2/2011
KONFLIKT MIÊDZY MO¯LIWOŒCI¥ POZYSKANIA WÓD I ENERGII GEOTERMALNEJ ORAZ INNYMI PRZEDSIÊWZIÊCIAMI UTYLITARNYMI
W POZIOMACH WODONOŒNYCH
STRESZCZENIE
Serie skalne o korzystnych parametrach hydrogeologicznych mog¹ byæ obiektem ró¿norakiej dzia³alnoœci utylitarnej. Wiele z mo¿liwych dzia³añ gospodarczych mo¿e siê jednak wzajemnie wykluczaæ. Do takich nale¿¹ m.in.
eksploatacja wód geotermalnych i podziemne sk³adowanie dwutlenku wêgla. W obszarach sk³adowisk CO2nie bêdzie mo¿na pozyskiwaæ energii geotermalnej. Równie¿ w ich otoczeniu eksploatacja wód termalnych bêdzie mog³a byæ prowadzona w bezpiecznej odleg³oœci. Jednak w obszarze GZW wybrane, potencjalnie wykluczaj¹ce siê dzia³alnoœci, mog¹ byæ prowadzone równolegle; dotyczy to eksploatacji górniczej oraz pozyskania energii geoter- malnej. Istniej¹ korzystne warunki do wykorzystania energii geotermalnej po wypompowaniu wód kopalnianych na powierzchniê terenu.
S£OWA KLUCZOWE
Wody geotermalne, region górnoœl¹ski, CCS
* * *
WPROWADZENIE
Konflikt interesów miêdzy pozyskaniem wód i energii geotermalnej oraz innymi przed- siêwziêciami gospodarczymi w poziomach wodonoœnych wynika z coraz mniejszej prze- strzeni, jaka pozostaje do dyspozycji dla ró¿nego typu dzia³alnoœci o charakterze utylitarnym.
Jest to szczególnie aktualne w regionie górnoœl¹skim, który cechuje siê znacznym zagê- szczeniem ró¿nego typu dzia³añ prowadzonych na powierzchni terenu i pod ziemi¹. Nie
Recenzowa³ prof. dr hab. in¿. Andrzej Szczepañski
Artyku³ wp³yn¹³ do Redakcji 10.06.2011 r., zaakceptowano do druku 16.06.2011 r.
zawsze jednak inicjatywy „kolizyjne” wzglêdem siebie oznaczaj¹ wyeliminowanie jednej z nich. W szczególnych warunkach mog¹ one wspó³wystêpowaæ.
1. MO¯LIWOŒÆ EKSPLOATACJI WÓD GEOTERMALNYCH W S¥SIEDZTWIE PODZIEMNYCH SK£ADOWISK CO2
Niektóre poziomy wodonoœne o szczególnie korzystnych parametrach zbiornikowych mog¹ siê nadawaæ do ró¿nego typu dzia³añ utylitarnych. Dzia³ania te mog¹ siê jednak wzajemnie wykluczaæ. Jako przyk³ad mo¿na podaæ:
– wykorzystanie wód geotermalnych i podziemne sk³adowanie dwutlenku wêgla (CCS), – podziemne magazynowanie metanu i eksploatacja solanek lub wód termalnych, – podziemna eksploatacja z³ó¿ kopalin i eksploatacja wód o charakterzeleczniczym.
Utylitarne wykorzystanie zawodnionych struktur skalnych musi byæ bezpieczne. Nie mo¿e negatywnie oddzia³ywaæ na œrodowisko wód podziemnych i ska³ oraz na powierzchniê terenu (Chadwick i in. 2008). Poszczególne przedsiêwziêcia nie mog¹ równie¿ negatywnie oddzia³ywaæ na siebie ani ulegaæ wzajemnemu wzmocnieniu (interferencji). Z problematyk¹ mo¿liwoœci wzajemnego oddzia³ywania przedsiêwziêæ autorka zetknê³a siê w trakcie wyzna- czania lokalizacji sk³adowisk dwutlenku wêgla (Dreszer i in. 2007a,b; Solik-Heliasz 2010a,b).
Jednak mo¿e to dotyczyæ równie¿ innego typu inicjatyw. W odniesieniu do wstêpnie wy- typowanego sk³adowiska CO2Skoczów-Zebrzydowice zlokalizowanego w po³udniowej czê- œci Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego (GZW), przedmiotem szczegó³owych badañ by³a mo¿liwoœæ oddzia³ywania sk³adowiska na obiekty podziemne zlokalizowane w szeroko rozumianym otoczeniu sk³adowiska, m.in. na wyrobiska górnicze czynnych i zlikwido- wanych kopalñ wêgla usytuowane w utworach karboñskich, to jest w sp¹gu serii zbiorni- kowej, oraz rozwa¿ane do budowy ujêcie wód geotermalnych w miejscowoœci Jaworze.
Analizowane kierunki oddzia³ywania projektowanego sk³adowiska zosta³y przedstawione na rysunku 1.
Sk³adowiska dwutlenku wêgla oddzia³ywuj¹ w szerokim zakresie na utwory zbiornikowe (Chadwick i in. 2008).Wp³yw sk³adowania nale¿y rozpatrywaæ w odniesieniu do ca³ego obszaru „zamkniêcia” sk³adowiska, w okresie 100 i wiêcej lat. Zat³aczanie CO2 mo¿e w zale¿noœci od sk³adu wód i otaczaj¹cych ska³ prowadziæ do szeregu reakcji fizykochemi- cznych – rozpuszczania, wytr¹cania oraz do zmiany pierwotnego chemizmu wód podziem- nych. Efektem zat³aczania dwutlenku wêgla mo¿e byæ równie¿ wzrost ciœnienia wód w danym poziomie wodonoœnym. Wytworzenie nadciœnienia mo¿e byæ czynnikiem prowadz¹cym do wzrostu prêdkoœci przep³ywu wód podziemnych. Jeœli ujêcie geotermalne znajduje siê w za- siêgu sto¿ka nadciœnienia, jak w przypadku ujêcia wód w Jaworzu, wówczas mo¿na spodzie- waæ siê zmian w pierwotnym re¿imie hydrodynamicznym danego poziomu wodonoœnego.
Na podstawie dotychczasowych wyników badañ mo¿na wnioskowaæ, i¿:
1) podziemne sk³adowanie dwutlenku wêgla wyklucza mo¿liwoœæ eksploatacji wód geo- termalnych w obszarze sk³adowiska;
2) lokalizacjê ujêæ wód geotermalnych w s¹siedztwie podziemnych sk³adowisk dwutlenku wêgla mo¿na zaakceptowaæ dopiero po wykluczeniu negatywnego oddzia³ywania sk³adowis- ka na ujêcie.
Z punktu widzenia bezpieczeñstwa, otwór geotermalny powinien byæ lokowany poza obszarem „zamkniêcia” sk³adowiska CO2, w odleg³oœci powiêkszonej o zasiêg wp³ywu eksploatacji otworu geotermalnego (to jest leja depresji i/lub zasiêgu wymiany ciep³a w du- blecie otworów).
Rys. 1. Lokalizacja obiektów mog¹cych potencjalnie oddzia³ywaæ na siebie w rejonie rozwa¿anego sk³adowiska dwutlenku wêgla w rejonie Skoczów-Zebrzydowice (Solik-Heliasz 2010b, zweryfikowane) Fig. 1. Location of objects that can potentially influence each other in the area of the considered carbon dioxide storage site in the Skoczów-Zebrzydowice region (Solik-Heliasz 2010b, verified)
2. MO¯LIWOŒÆ EKSPLOATACJI WÓD GEOTERMALNYCH W OBSZARACH KOPALÑ WÊGLA KAMIENNEWGO
Eksploatacja wód geotermalnych oraz prowadzenie dzia³alnoœci górniczej w obszarach kopalñ wêgla kamiennego s¹ przyk³adami dzia³alnoœci, które powinny siê wzajemnie wy- kluczaæ. W rzeczywistoœci dzia³alnoœæ górnicza ogranicza, ale nie wyklucza ca³kowicie mo¿liwoœci pozyskania energii geotermalnej z wód kopalnianych. Warunkiem bezpiecznej eksploatacji z³ó¿ wêgla kamiennego w GZW jest bowiem odwodnienie wyrobisk górniczych.
Wody pochodz¹ce z dop³ywu naturalnego sp³ywaj¹ na poszczególne poziomy odwodnie- niowe i stamt¹d zbiorczo wypompowywane s¹ na powierzchniê terenu. Ocenia siê, ¿e odbieranie energii geotermalnej z wód kopalnianych po ich wypompowaniu na powierzchniê terenu jest du¿¹ szans¹ na wprowadzanie do praktyki „kopalnianych” instalacji geoter- malnych bazuj¹cych na wymiennikach i pompach ciep³a. Przepompowywanie wód kopalnia- nych z jednego na jeden lub kilka poziomów poœrednich powoduje jednak znaczn¹ stratê temperatury wód. W zale¿noœci od lokalizacji kopalni oraz warunków hydrogeologicznych, strata ta dochodzi do niemal 25°C w porównaniu do pierwotnej temperatury górotworu (Solik-Heliasz 2010c). Tym niemniej potencja³ cieplny zawarty w wodach odprowadzanych z kopalñ wêgla kamiennego w GZW jest znaczny. W latach 2004–2008 okreœlono go na œrednio 258,8 MJ na sekundê.
Znaczna szansa na wykorzystanie energii geotermalnej wynika równie¿ z faktu, i¿ koszty wypompowywania wód na powierzchniê ponosi kopalnia. W takich warunkachnak³ady na pozyskanie energii geotermalnej ograniczaj¹ siê do kosztów instalacji oraz przesy³ania energii do odbiorców. Ponadto instalacja geotermalna zlokalizowana na wylocie z szybów odwodnieniowych nie zak³óca ruchu górniczego, a odbioru energii mog¹ dokonaæ zarówno inwestorzy wewnêtrzni, kopalnie, jak i spoza górnictwa. Z kolei lokalizacja elementów instalacji geotermalnych w wyrobiskach górniczych jest teoretycznie mo¿liwa lecz w prak- tyce niechêtnie akceptowana przez kopalnie, z uwagi na wspomniane wczeœniej utrudnienia.
3. WYBÓR INWESTYCJI W SWIETLE PRAWA
Na tle przedsiêwziêæ, które mog¹ byæ „kolizyjne” wzglêdem siebie pojawia siê nowa problematyka, a mianowicie doboru orazpierwszeñstwa realizacji poszczególnych inicjatyw w poziomach wodonoœnych w danym rejonie. Zagadnienie to by³o rozpatrywane ju¿ przez niektórych autorów (Sanner 2009, Solik-Heliasz 2010b). Problem dotyczy tego, czy nale¿y wprowadziæ jak¹œ formê preferencji w doborze inicjatyw – a jeœli tak, to wed³ug jakich zasad.
Obecnie mo¿liwoœci podziemnego sk³adowania CO2zosta³y uwzglêdnione w prawodawstwie polskim, m.in. w prawie geologicznym i górniczym, prawie ochrony œrodowiska, prawie o odpadach, i traktowane s¹ jako dzia³alnoœæ górnicza. W Dyrektywie o podziemnym sk³adowaniu CO2(Dyrektywa 2009) w punkcie 19 okreœlono wprawdzie, i¿ poszczególne pañstwa maj¹ prawo do opowiedzenia siê za wykorzystaniem struktur podziemnych wystê-
puj¹cych na jej terytorium, tym niemniej nak³ada ona na poszczególne kraje obowi¹zek wyznaczenia sk³adowisk dwutlenku wêgla (lub stwierdzenia, ¿e takich mo¿liwoœci nie ma), a dla nowych bloków energetycznych o mocy powy¿ej 300 MW, obowi¹zek wykonania oceny wskazuj¹cej: czy dostêpne s¹ odpowiednie sk³adowiska i czy jest mo¿liwa technicznie i ekonomicznie modernizacja pod k¹tem wychwytywania CO2. Równoczeœnie uprzywilejo- wanie inwestycji w pozyskiwanie wód geotermalnych postulowane jest przez EGEC (2009).
W praktyce natomiast, obydwie formy dzia³alnoœci wzajemnie siê wykluczaj¹, a obowi¹- zuj¹c¹ zasad¹ jest zasada pierwszeñstwa inwestycji.
Z powy¿szego wynika, ¿e jak dot¹d dzia³alnoœci¹ zwi¹zan¹ z wykorzystaniem potencja³u wód podziemnych kieruj¹ czynniki o charakterze ekonomicznym. St¹d za niezwykle cenn¹ inicjatywê uwa¿a siê okreœlanie mo¿liwoœci wykorzystania poziomów wód solankowych i geotermalnych przedstawionych w opublikowanych materia³ach kartograficznych – mapach i atlasach – dostêpnych szerokiej rzeszy odbiorców (m.in. Ciê¿kowski 1990; Dowgia³³o 2002;
Barbacki i in. 2006; Górecki red. 2006; Kêpiñska 2006; Solik-Heliasz red. 2009). Stwarzaj¹ one poziom odniesienia dla innych planowanych przedsiêwziêæ, jak choæby sekwestracji CO2, oraz stanowi¹ argument przy podejmowaniu decyzji o sposobie wykorzystania danego poziomu wodonoœnego.
Przedstawione wczeœniej wyniki badañ wskazuj¹, ¿e nale¿y z rozwag¹ gospodarowaæ podziemn¹ przestrzeni¹ skaln¹. Podziemna dzia³alnoœæ musi zapewniaæ harmonijny rozwój ró¿nych przedsiêwziêæ gospodarczych. O wyborze strategicznych inwestycji musz¹ decy- dowaæ wzglêdy bezpieczeñstwa oraz spodziewane efekty ekologiczne i ekonomiczne.
PODSUMOWANIE
Poziomy wodonoœne stwarzaj¹ mo¿liwoœæ prowadzenia w nich ró¿norakiej dzia³alnoœci utylitarnej. Wiele z mo¿liwych dzia³añ gospodarczych mo¿e siê jednak wzajemnie wy- kluczaæ. Niektóre z planowanych obecnie przedsiêwziêæ, jak podziemne zat³aczanie dwutlen- ku wêgla, wyklucza mo¿liwoœæ prowadzenia w ich obszarze innych przedsiêwziêæ. Jedynie w sprzyjaj¹cych warunkach, pozornie wykluczaj¹ce siê dzia³alnoœci mog¹ byæ prowadzone równolegle. Przyk³adem mog¹ byæ: eksploatacja z³ó¿ wêgla kamiennego i pozyskanie energii geotermalnej z wód kopalnianych. W wielu przypadkach, decyzja o wyborze odpowiedniego typu przedsiêwziêcia pozostaje w gestii pañstwa oraz lokalnego samorz¹du. St¹d za nie- zwykle celowe uwa¿a siê publikowanie wszelkich opracowañ kartograficznych zasobów wód i energii geotermalnej. S¹ one dostêpne szerokiej rzeszy odbiorców i mog¹ byæ pomocne w podejmowaniu decyzji w sprawie wykorzystania wód geotermalnych.
LITERATURA
BARBACKI A., BUJAKOWSKI W., PAJ¥K L., 2006 — Atlas zbiorników wód geotermalnych Ma³opolski. Wyd.
Instytutu Gospodarki Surowcami mineralnymi i Energi¹ PAN, Kraków.
CIʯKOWSKI W., 1990 — A study on the hydrogeochemistry of mineral and thermal waters in the Polish Sudets Mtn. Prace Naukowe Instytutu Geotechniki Politechniki Wroc³awskiej, 60, 1–33 (in Polish).
CHADWICK A., ARTS R., BERNSTONE C., MAY F., THIBEAU S., ZWEIGL P., 2008 — Best practice for the storage of CO2in saline aquifers. Keyworth, Nottingham, British Geological Survey.
DOWGIA££O J., 2002 —The Sudetic geothermal region of Poland. Geothermics, vol. 31.
DRESZER K., KOLARZ E., POPOWICZ J., ŒCI¥¯KO M., WIÊC£AW-SOLNY L., ZAPART L., BART£OMIEJ J., SOLIK-HELIASZ E., KOBIELA Z., KRZYSTOLIK P., KUBICA J., SKIBA J., 2007a — Opracowanie koncepcji demonstracyjnej instalacji do usuwania, transportu i sk³adowania dwutlenku wêgla dla Vattenfall Warszawa. Wyk. ICHPW-GIG-Biprokwas.
DRESZER K., KOLARZ E., POPOWICZ J., ŒCI¥¯KO M., WIÊC£AW-SOLNY L., ZAPART L., BART£OMIEJ J., SOLIK-HELIASZ E., KOBIELA Z., KRZYSTOLIK P., KUBICA J., SKIBA J., 2007b — Wstêpna koncepcja instalacji demonstracyjnej usuwania, transportu i sk³adowania CO2 dla Po³udniowego Koncernu Energe- tycznego S.A. w Katowicach. Wyk. ICHPW-GIG.
Dyrektywa UP I Rady 2009/31/WE z dnia 23.04.2009 w sprawie geologicznego sk³adowania CO2. EGEC’s Position on „Carbon Capture and Storage”. Bruksela 2009.
GÓRECKI W. (red.), 2006 — Atlas zasobów geotermalnych na Ni¿u Polskim. Kraków.
KÊPIÑSKA B., 2006 — Warunki termiczne i hydrotermalne Podhalañskiego systemu geotermalnego. PAN. Studia, Rozprawy, Monografie 135.
SANNER B., 2009 — CCS vs. Geothermal resources – some thoughts on recent experience in Germany. [W:] GTR-H Conference, Dublin.
SOLIK-HELIASZ E. (red.), 2009 — Atlas zasobów energii geotermalnej w regionie górnoœl¹skim. Utwory neogenu, karbonu i dewonu. Wyd. GIG, Katowice.
SOLIK-HELIASZ E., 2010a — Possibilities of underground CO2storage in the Upper Silesian region. Gosp. Sur.
Min. t. 26, z. 3.
SOLIK-HELIASZ E., 2010b — Opracowanie potencjalnej pojemnoœci sk³adowania CO2w g³êboko po³o¿onych formacjach solankowych w rejonie aglomeracji œl¹skiej. [W:] Studium bezpiecznego sk³adowania CO2na przyk³adzie aglomeracji œl¹skiej. Wyd. GIG, Katowice.
SOLIK-HELIASZ E., 2010c — Geothermal resources in waters of Coal Basin in Silesia (GZW) extractable from subsurface coal, zinc and lead mines. Archives of Mining Sciences, vol. 55, no 4.
CONFLICT BETWEEN THE POSSIBILITY OF GAINING OF WATERS AND GEOTHERMAL ENERGY AND OTHER UTILITARIAN UNDERTAKINGS CONDUCTED IN WATER-BEARING HORIZONS
ABSTRACT
Rock series with advantageous hydrogeological parameters can be the object of varied utilitarian activity.
However, many of possible economic actions can mutually exclude each other. To such actions belong among others the exploitation of geothermal waters and underground carbon dioxide storage. In storage site areas it will not be possible to gain geothermal energy. Also in their surroundings it will be possible to conduct the exploitation of thermal waters at a safe distance. In the area of the Upper Silesian Coal Basin some activities which potentially exclude each other, as mining exploitation and geothermal energy gaining, can be conducted in parallel. There exist advantageous conditions of use of geothermal energy after pumping out mine waters to the ground surface.
KEY WORDS
Geothermal waters, Upper Silesian region, CCS
