1 WSTĘPNA OCENA MOŻLIWOŚCI POZYSKANIA I WYKORZYSTANIA WÓD TERMALNYCH W REJONIE WIŚNIOWEJ Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska Katedra Surowców Energetycznych Wiśniowa 5 października 2015 Prof. dr hab. inż. Wojciech Górecki Dr inż. Anna Sowiżdżał Mgr inż. Marek Hajto Mgr inż. Jarosław Kotyza

2 Picture from: http://www.gtenergy.net/what-is-geothermal/ Energia geotermalna jest wewnętrznym ciepłem Ziemi, zakumulowanym w systemach hydrotermalnych lub suchych skałach

3 ATLASY ZASOBÓW GEOTERMALNYCH wydane w Katedrze Surowców Energetycznych (AGH) w latach 1990-2013 pod redakcją prof. Góreckiego 2006 2011 1990 1995 2012 2013 zamawiający: Ministerstwo Środowiska finansujący: NFOŚiGW wykonawca: AGH Projekty badawczo-rozwojowe (Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego, NCBiR)

4 Rozpoznanie potencjału zasobowego dla instalacji binarnych oraz instalacji HDR/EGS

5 POŁOŻENIE REJONU BADAŃ NA TLE SZKICU GEOLOGICZNO-STRUKTURALNEGO WSCHODNIEJ CZĘŚCI KARPAT POLSKICH Geologicznie struktura Wiśniowej zlokalizowana jest w obrębie depresji strzyżowskiej zewnętrznych Karpat fliszowych (wg Żytko i in. 1989; Jankowski i in. 2004, zmodyfikowany)

6

7 Profil geologiczny w otworze Wiśniowa-1 Otwór poszukiwawczy Wiśniowa-1 został zaprojektowany do głębokości 5500 m ppt. Zgodnie z projektem na gł. 4320 m ppt spodziewano się nawiercić utwory miocenu autochtonicznego, a na gł. 5500 m utwory jury. Celem otworu były poszukiwania węglowodorów. W rdzeniach i próbach okruchowych objawów węglowodorów nie stwierdzono. Uzyskano natomiast samowypływ solanki w ilości 5,2 do 8,0 m 3 /h z głębokości 3698 m ppt oraz 180 m 3 /h i temperaturze 85°C, z głębokości 3793 m ppt. Początkiem 1992 roku otwór został zlikwidowany jako negatywny. Otwór zabezpieczono korkami cementowymi umożliwiającymi w przyszłości jego rekonstrukcję w celu zagospodarowania wody geotermalnej.

8 LOKALIZACJA OTWORÓW WIERTNICZYCH W REJONIE WIŚNIOWEJ Nazwa otworu Szerokość geograficzna Długość geograficzna Głębokość [m] 1234 Nawsie-1 49°57'20.58"N21°39'50.13"E 4860 Szufnarowa-1 49°54'49.46"N21°36'53.63"E 4697 Wiśniowa-149°52'26.47"N21°40'50.90"E3793

9 Rozkład średniego gradientu termicznego w rejonie Karpat wschodnich Analiza profilowania termicznego wskazuje na wyraźne „przegrzanie” górnego interwału otworu, gdzie przy powierzchni zarejestrowano temperatury ok. 25-30 o C. Wielkości oszacowanych temperatur na głębokościach ok. 3,0-3,6 km wykazują dużą korelację z profilowaniem termicznym zarejestrowanym dla tych głębokich interwałów w otworze Wiśniowa-1. Np. zarejestrowana na termogramie temperatura na głębokości 3640 m wynosi 93,89 o C, a oszacowana, przy wykorzystaniu równania regresji wynosi: 94,36 o C. Charakterystyka termiczna

10 Potencjalne piętra wodonośne Wariant III – pesymistyczny : dolnokredowe warstwy spaskie zbudowane z drobnoziarnistych i zbitych piaskowców oraz twardych margli i łupków Wariant II - realistyczny: węglanowe utworów górnojurajskie reprezentowane przez margle i wapienie zostały nawiercone w otworze Szufnarowa-1 (oksford) na głębokości 4540-4697 m ppt oraz w otworze Nawsie-1 (kimeryd+oksford) w interwale 3098-4440 m ppt Wariant I - optymistyczny: Istnieje też możliwość, że zbiornik dolnokredowy jest stale zasilany wodami ze zbiornika górnojurajskiego wskutek istnienia łączności hydraulicznej pomiędzy tymi zbiornikami. Wówczas należałoby te zbiorniki traktować razem (łącznie z utworami miocenu autochtonicznego)

11 Przewidywane parametry ujęć wód geotermalnych w rejonie Wiśniowej

12 Ocena możliwości wykorzystania zlikwidowanego otworu naftowego Wiśniowa-1 do eksploatacji wód geotermalnych Prace rekonstrukcyjne winny być realizowane w trzech etapach: I.ocena stanu technicznego odwiertu; II.opracowanie projektu prac rekonstrukcyjnych w odwiercie; III.rekonstrukcja otworu oraz intensyfikacja wydajności horyzontów wodonośnych

13 Etap I – Ocena stanu technicznego rur Etap I obejmuje następujące prace: lokalizacja odwiertu; odbudowa wylotu odwiertu; udostępnienie więźby rurowej; odbudowa lub wykonanie bodni; montaż nowej więźby rurowej; przygotowanie terenu pod urządzenie wiertnicze; mobilizacja i montaż urządzenia wiertniczego; montaż uzbrojenia wylotu odwiertu do 70 MPa; przygotowanie obciążonej cieczy wiertniczej o objętości zapewniającej wypełnienie odwiertu plus objętość robocza; zwiercenie korków cementowych w rurach 9 5 / 8 ” do głębokości 3650 m; czyszczenie ściany rur okładzinowych; wypłukanie odwiertu badanie stanu technicznego rur okładzinowych oraz skuteczności zacementowania ostatniej kolumny rur okładzinowych 9 5 / 8 ” metodami geofizyki otworowej: CBL/RBT, MIT-60, MT. w przypadku braku szczelności kolumny rur okładzinowych wykonanie perforacji i cementowania doszczelniającego w wytypowanych interwałach, lub podjęcie decyzji o likwidacji odwiertu ze względu na ochronę środowiska wykonanie prób ciśnieniowych rur okładzinowych i uzbrojenia napowierzchniowego. Etap I prac zostanie zakończony decyzją inwestora o kontynuowaniu prac lub likwidacji odwiertu. Ewentualna likwidacja odwiertu realizowana będzie za pomocą korków cementowych, a następnie demontażu urządzenia wiertniczego, rekultywacji terenu i utylizacji cieczy wiertniczych. Koszt pierwszego etapu prac rekonstrukcyjnych wyniesie około 5,5 mln – 6 mln zł.

14 Etap II i III – Projekt i rekonstrukcja odwiertu Koszt realizacji II i III etapu prac będzie uzależniony od zakresu koniecznych prac rekonstrukcyjnych i intensyfikacyjnych poziomów wodonośnych. Na podstawie uzyskanych wyników etapu I powinien zostać opracowany specjalny program prac rekonstrukcyjnych w odwiercie oraz uzbrojenia i eksploatacji. Decyzje dotyczące prac w odwiercie podejmie inwestor. Szacunkowy koszt prac rekonstrukcyjnych dla otworu o głębokości 4000 m może wynosić ok. 4 mln zł. Koszt ten jest zależny od wielu czynników i można go traktować jedynie jako orientacyjny W tych etapach realizowane będą prace cementacyjne, próby ciśnieniowe oraz pomiary geofizyczne, które będą podstawą do wytypowania poziomów wodonośnych i miejsca perforacji. Opróbowanie udostępnionych poziomów wodonośnych przy pomocy rurowego próbnika złoża umożliwi określenie właściwości hydrodynamicznych oraz temperatury wód poziomu hydrogeologicznego. Pozwoli również na podjęcie decyzji dotyczących badań standardowych.

15 NOWY OTWÓR WIERTNICZY Koszt odwiercenia nowego otworu jest zależny od wielu czynników Koszt odwiercenia nowego otworu w Karpatach, do gł. ok. 4000 m wynosi ok. 33 mln złotych, a do głębokości 5000 m szacowany jest na ok. 45-50 mln złotych Zestawienie kosztów realizacji prac geologicznych związanych z wykonaniem otworów geotermalnych w latach 2008-2013

16 Możliwości wykorzystania wód geotermalnych do celów grzewczych wytwarzanie energii elektrycznej - głównie przy wykorzystaniu par geotermalnych, w ostatnich latach rozpoczęto stosowanie do tego celu także wód geotermalnych w tzw. układach binarnych; zastosowania bezpośrednie obejmujące szeroki zakres temperatur i różnorodne cele

17 Koncepcje wykorzystania wód geotermalnych w rejonie Wiśniowej

18 Możliwości wykorzystania wód geotermalnych do celów balneologicznych i rekreacyjnych Budowa ośrodka balneologicznego lub/i rekreacyjnego bazującego na wodach geotermalnych uzależniona będzie od analizy składu chemicznego wody wykonanej po rekonstrukcji otworu Wiśniowa-1 bądź odwierceniu nowego otworu. Rodzaj kąpieli Temperatura wody [ o C] Mineralizacja wody [g/dm 3 ] 133 Rekreacyjne24 - 30do 35 Rekreacyjno-leczniczy28 - 32do 40 Lecznicze28 - 42do 60 Wymagania stawiane wodom do kąpieli (Paczyński, Płochniewski, 1996; Ponikowska, Ferson, 2009)

19 Składniki swoiste, stężenie w 1 dm 3 co najmniejNazwa wody 12 1000 mg rozpuszczonych składników stałychmineralna 10 mg jonu żelazawegożelazista 2 mg jonu fluorkowegofluorkowa 1 mg jonu jodkowegojodkowa 1 mg H 2 S (siarki dwuwartościowej)siarczkowa 70 mg kwasu metakrzemowegokrzemowa 250 mg CO 2 niezwiązanego kwasowęglowa (250-999 mg CO 2 ) szczawa (od 1000 mg CO 2 ) 74 Bq radonuradonowe woda o temp. 20 o C na wypływietermalna Zgodnie z analizą wody wykonaną w 1992 roku woda rejonu Wiśniowej to woda mineralna swoista (jodkowa) Podział wód leczniczych na podstawie zawartości składników swoistych Na podstawie: Ustawa Prawo geologiczne i górnicze z dnia 5 sierpnia 2011 roku (Dz.U.2011.163.981) z późniejszymi zmianami (Dz.U. 2015 poz. 196) oraz Rozporządzenia Ministra Zdrowia z dnia 13.04.2006 r. (Dz.U. 2006 nr 80 poz. 565)

20 W rejonie Wiśniowej należy spodziewać się występowania wód chlorkowych (typu Na-Cl). Solanki mogą być stosowane m.in. do kąpieli leczniczych wskazanych w następujących chorobach: reumatoidalnym zapaleniu stawów; chorobie zwyrodnieniowej stawów; w stanach pourazowych kości i stawów; chorobach ze zwiększonym napięciem mięśniowym; przewlekłych chorobach dróg oddechowych; chorobach niedokrwiennych kończyn dolnych ; nerwicach wegetatywnych. Wody chlorkowe stosujemy w kuracji pitnej w następujących schorzeniach: przewlekłe nieżyty żołądka z niedokwasotą; zaparcia; niedoczynność tarczycy; skaza moczanowa; zatrucia metalami.

21 Możliwości wykorzystania wód termalnych do celów grzewczych Z uwagi na spodziewane właściwości balneoterapeutyczne wód geotermalnych, a jednocześnie ze względu na brak na tym obszarze odpowiedniej koncentracji potrzeb ciepłowniczych, proponuje się budowę Ośrodka Balneologiczno- Rekreacyjnego bazującego na wykorzystaniu wód geotermalnych przy jednoczesnym wykorzystaniu wód i zawartego w nich ciepła na potrzeby obiektów nowopowstałego Ośrodka Balneologiczno-Rekreacyjnego. W obydwu wariantach udostępnienia warstw wodonośnych w otworze Wiśniowa- 1 należy uwzględnić koncepcję budowy instalacji eksploatującej wodę geotermalną dubletem geotermalnym (jednym otworem produkcyjnym i jednym otworem chłonnym).

22 Schemat ideowy ciepłowniczej instalacji geotermalnej w rejonie Wiśniowej 1.otwór produkcyjny 2. płytowe wymienniki ciepła 3. zasilanie systemów grzewczych obiektów Ośrodka, układy przygotowania ciepłej wody użytkowej, a także podgrzewanie wody słodkiej wypełniającej kryte oraz otwarte baseny rekreacyjne. 4. schłodzona w wymiennikach woda geotermalna oraz część jej strumienia z otworu, kierowana będzie do basenów krytych i otwartych 5. w miarę potrzeb woda geotermalna będzie rozcieńczana wodą słodką. 6. otwór chłonny

23 Bilans energetyczny instalacji geotermalnej w rejonie Wiśniowej

24 Możliwości wykorzystania wód termalnych do produkcji energii elektrycznej Wykorzystanie niskotemperaturowych wód geotermalnych do produkcji energii elektrycznej umożliwia zastosowanie instalacji binarnych. Procesami wykorzystującymi wody termalne o niskiej entalpii są: organiczny obieg Rankine’a (ORC) oraz cykl Kalina. Schemat typowej elektrowni binarnej

25 Parametry wybranych elektrowni binarnych zasilanych wodą o niskiej entalpii

26 Koszty mogą być zróżnicowane w zależności od wielu czynników. Na podstawie analogii to innych tego typu rozwiązań można je oszacować na około 4 mln zł. Kosztu samej siłowni binarnej (przy założeniu temperatury na wejściu około 100°C (tx)) (Pająk, Bujakowski, 2013): - dla technologii ORC – 9000 zł/kWe (co daje dla 200 kWe - 1,8 mln zł) - dla technologii Kaliny- 7000 zł/kW – (co daje dla 200 kWe -1,4 mln zł) Przykładowe nakłady inwestycyjne na elementy inne niż siłownia binarna i otwory wiertnicze w tys. zł (na podstawie Bujakowski, Tomaszewska (red.), 2014)

27 Schemat instalacji z otworowym wymiennikiem ciepła Otworowy wymiennik ciepła składa się z obudowy odwiertu, kolumny rur wewnętrznych oraz zagłowiczenia. Utworzony w ten sposób układ cyrkulacyjny składa się z przestrzeni pierścieniowej, którą nośnik ciepła porusza się w dół oraz z wnętrza zapuszczonych rur izolowanych cieplnie, którym powraca na powierzchnię. Cyrkulująca ciecz podczas przemieszczania się w dół będzie się ogrzewać od górotworu. Odebrane ciepło będzie transportowane na powierzchnię wewnętrzną kolumną rur. Otrzymane z odwiertu ciepło będzie ciepłem niskotemperaturowym, w związku z czym konieczne jest zastosowanie pompy ciepła. Możliwości zastosowania otworowego wymiennika ciepła

28 W zależności od sposobu realizacji otworowego wymiennika ciepła w Wiśniowej można spodziewać się następujących mocy cieplnej uzyskiwanej z odwiertu z udziałem pomp ciepła: ok. 50 kW – w przypadku zastosowania dostępnych technologii, bazujących na rurach wykonanych z polietylenu sieciowanego z możliwością zapuszczania do 500 – 600 m, ok. 200 – 250 kW – w przypadku wykorzystania maksymalnej głębokości odwiertu. Technologia taka jest znana na świecie, natomiast w Polsce dotychczas nie wykorzystywana.

29 Wsparcie finansowe inwestycji geotermalnych Program Operacyjny Inteligentny Rozwój DZIAŁANIE 1.1. Program Operacyjny Infrastruktura i Środowisko 2014-2020: Regionalny Programu Operacyjnego Województwa Podkarpackiego na lata 2014-2020: NFOŚiGW udziela dofinansowania w formie pożyczki do 85% kosztów kwalifikowanych w ramach programu Wspieranie rozproszonych, odnawialnych źródeł energii Część 1) BOCIAN – Rozproszone, odnawialne źródła energii.

30 Wnioski i zalecenia 1.Geologicznie rejon Wiśniowej zlokalizowany jest w obrębie fliszowych Karpat zewnętrznych, które charakteryzują się skomplikowaną płaszczowo-nasuwczą budową geologiczną. 2.Otwór wykonany został początkiem lat 90-tych XX wieku w celu poszukiwania węglowodorów. Po dowierceniu do warstw spaskich kredy dolnej nastąpił nagły samowypływ solanki o wydajności 180 m3/h i temperaturze 85°C. 3.Decyzję o dalszym sposobie zagospodarowania złoża geotermalnego należy podjąć po zakończeniu prac rekonstrukcyjnych i uzyskaniu przypływu wody o oczekiwanych parametrach. 4.Koszt I-szego etapu prac to wydatek około 5,5 - 6 mln zł. W II-gim etapie rekonstrukcji należy liczyć się ze znacznymi kosztami związanymi z wykonaniem prac technicznych w otworze oraz udostępnieniem złoża wód geotermalnych. ze względu na nieznany stan techniczny zlikwidowanego otworu można go jedynie wstępnie oszacować Szacunkowy koszt prac rekonstrukcyjnych dla otworu o głębokości 4000 m może wynosić ok. 4 mln zł. Koszt ten jest zależny od wielu czynników i można go traktować jedynie jako orientacyjny

31 III. Wariant pesymistyczny skałą zbiornikową są dolnokredowe piaskowce warstw spaskich o słabych parametrach zbiornikowych, przekładających się na wydajność ujęcia wód poniżej 1 m 3 /h. W tym wariancie zakłada się, że samowypływ uzyskany podczas wiercenia otworu Wiśniowa-1 w latach 90-tych XX wieku był chwilowy i po ustabilizowaniu się parametrów złoża nastąpi problem z wypływem wody. Pomimo braku wody zbiornik charakteryzuje się wysoką temperaturą rzędu 90 o C, co powoduje, że można rozważyć wykorzystanie potencjału energetycznego za pomocą otworowego wymiennika ciepła. Wnioski i zalecenia Przeprowadzona analiza wskazuje na trzy różne warianty zagospodarowania złoża geotermalnego, uzależnione od uzyskanych parametrów hydrogeotermalnych zbiornika

32 I.Wariant optymistyczny zakłada się, że wody geotermalne pochodzą ze zbiornika porowo-szczelinowego zbudowanego z utworów kredy dolnej, miocenu i jury górnej pozostających ze sobą w kontakcie hydraulicznym. Wody tego zbiornika charakteryzują się temperaturą na wypływie ok. 85 o C (w złożu ponad 90 o C) oraz wysoką wydajnością rzędu 180 m 3 /h. Mineralizacja wód zakumulowanych w tym poziomie zbiornikowym sięga ok. 15 g/dm 3. W tym wariancie po wykonaniu szczegółowych analiz fizykochemicznych wody można rozważyć zasadność rozcieńczania wody i jej zrzutu do cieków powierzchniowych (eksploatacja w systemie jednootworowym). Jednak w celu zapewnienia odnawialności złoża przy tak dużych wydajnościach (180 m 3 /h) zaleca się eksploatację systemem dwuotworowym (co powoduje konieczność wykonania otworu chłonnego). Wnioski i zalecenia

33 II. Wariant realistyczny zakłada, że wody geotermalne zakumulowane są w szczelinowym zbiorniku węglanowym jury górnej i charakteryzują się wysoką temperaturą na wypływie rzędu 125 o C, wydajnością około 40 m 3 /h oraz mineralizacją ok. 100 g/dm 3. W tym wariancie istnieje konieczność pogłębienia otworu Wiśniowa 1 do głębokości 5600 m ppt w celu udostępnienia zbiornika geotermalnego. Ze względu na podwyższoną mineralizację wód istnieje konieczność ich utylizacji poprzez ponowne zatłoczenie do górotworu oraz pracę instalacji w systemie dubletu geotermalnego (1 otwór eksploatacyjny oraz 1 otwór zatłaczający). W związku z tym należy uwzględnić koncepcję budowy instalacji eksploatującej wodę geotermalną jednym otworem produkcyjnym i zatłaczanej jednym otworem chłonnym. Wnioski i zalecenia

34 Dla obu wariantów proponuje się budowę Ośrodka Balneologiczno-Rekreacyjnego bazującego na wykorzystaniu wód geotermalnych przy jednoczesnym wykorzystaniu wód i zawartego w nich ciepła na potrzeby obiektów nowopowstałego Ośrodka Balneologiczno-Rekreacyjnego. Po potwierdzeniu stabilności założonych parametrów eksploatacyjnych można w obu wariantach rozważyć wykorzystanie wód geotermalnych do produkcji energii elektrycznej przy zastosowaniu instalacji binarnej. W wariancie optymistycznym, wody geotermalne przed podaniem na turbinę powinny zostać dogrzane (np. przy zastosowaniu kotła na biomasę) do temperatury ok. 100 o C. Instalacja o mocy ok. 200 kWe powinna zostać potraktowana jako demonstracyjna/pilotażowa, a jej budowa wymaga uzyskania wsparcia finansowego. Wnioski i zalecenia

35 Dziękuję za uwagę