Studenci - aktualności
Dr hab. inż. Tomasz Śliwa, prof. AGH, kierownik Laboratorium Geoenergetyki AGH, demonstruje „poletko energetyczne A” pomiędzy pawilonami A-3 i A-4, fot. Marianna Cielecka
Nie tylko służą prowadzeniu badań naukowych w kierunku poszukiwania optymalnych rozwiązań dla geoenergetyki, ale również pomagają w ogrzewaniu i chłodzeniu budynków na kampusie AGH. Otworowe wymienniki ciepła wraz z towarzyszącym im zapleczem technicznym, które należą do Laboratorium Geoenergetyki przy Wydziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, w dobie wzrostu zapotrzebowania na odnawialną energię są przykładem nowoczesnych i inspirujących rozwiązań umożliwiających efektywne wykorzystanie podziemnych zasobów ciepła.
Pięć otworów znajduje się pomiędzy budynkami A3 i A4 i tworzy „poletko energetyczne A”. Każdy ma głębokość 78,5 m i wytwarzają łącznie 26 kW mocy grzewczej. Tutaj zlokalizowanych jest również pięć kolektorów słonecznych, których zadaniem jest regenerowanie zasobów ciepła pobieranego z górotworu, jak w terminologii górniczej określa się grunty i skały poniżej powierzchni terenu. Kolejnych czternaście otworów o głębokości 84,5 m każdy oraz dwa o głębokości 30 m, które tworzą „poletko B”, zlokalizowanych jest natomiast pomiędzy pawilonami A-4 i D-2 i dostarcza wraz z pompami ciepła ponad 100 kW mocy grzewczej.
„Poletko A” wykorzystywane jest do ogrzewania i chłodzenia sali audytoryjnej na 150 osób w budynku A4, a także może dostarczać zimą ciepło do odśnieżania sąsiadującej z nim płyty parkingowej o powierzchni 250 m kw. Dzięki tej funkcjonalności wyjazd samochodów z pobliskich garaży jest możliwy bez dodatkowego odśnieżania płyty. Instalacja ta jest również zaprojekowana w taki sposób, że działa jak kolektor słoneczny i może być także wykorzystywana do odtwarzania podziemnych zasobów ciepła. „Poletko B” pełni natomiast rolę źródła ciepła i chłodu dla pawilonu D-2.
Dr hab. inż. Tomasz Śliwa, prof. AGH, kierownik Laboratorium Geoenergetyki AGH, prezentuje "poletko energetyczne B" przed pawilonem D-2, fot. Marianna Cielecka
Niedawno w ramach „poletka B” powstały również dwa horyzontalne wymienniki ciepła, które zostały wykonane na głębokości 2 m pod powierzchnią terenu i ciągną się na długości 114 i 40 m wzdłuż budynków A4 i C4 oraz od A4 do D2.
Zasoby ciepła pod powierzchnią terenu
Zdobywające coraz większą popularność na rynku energetycznym otworowe wymienniki ciepła wykorzystują fakt, że wraz ze wzrostem głębokości odwiertu notowana temperatura górotworu rośnie przeciętnie co 100 m o 3 st. C. Nieco inaczej ma się sytuacja w przypadku wymienników horyzontalnych, które bazują na zjawisku podziemnych miejskich wysp ciepła, czyli nagrzewania się górotworu w wyniku działania miejskiej infrastruktury generującej ciepło odpadowe oraz promieniowania słonecznego. Dlatego pozyskiwanie ciepła w tej technologii nie wymaga tworzenia głębokich odwiertów pionowych, co znacząco obniża koszty wykonania instalacji.
Aby odebrać ciepło z górotworu, do otworów wiertniczych wprowadza się rurki, przez które przepływa nośnik ciepła, najczęściej w postaci roztworu glikolu. Rurki tworzą zamknięty obieg między otworem a znajdującą się na powierzchni pompą ciepła – cyrkulujący w nich czynnik roboczy jest chłodniejszy od górotworu, więc odbiera z niego ciepło, a następnie oddaje je w pompie ciepła. Schłodzony w ten sposób czynnik roboczy zatłaczany jest z powrotem do otworu i cały cykl zaczyna się od początku.
W pompie ciepła odbiór energii cieplnej odbywa się w tzw. parowniku, gdzie ciepło dostarczone z górotworu służy do odparowania innego czynnika roboczego, który krąży w pompie w kolejnym zamkniętym obiegu. Powstałe w ten sposób pary kierowane są do sprężarki, gdzie w wyniku sprężenia wrasta ich ciśnienie, a co za tym idzie także temperatura. Przekonwertowane w ten sposób ciepło, które jest odbierane od pary czynnika roboczego w kolejnym kroku w tzw. skraplaczu, może zostać wykorzystane do ogrzewania budynków i wody użytkowej. Działanie pompy ciepła często porównuje się do działania lodówki à rebours – z tą różnicą, że tzw. rewersyjne pompy ciepła pozwalają również na odbierania ciepła z budynku w celu jego chłodzenia. W tego rodzaju układach ciepło pompowane jest latem w przeciwną stronę niż zimą, a górotwór w zależności od pory roku funkcjonuje jako magazyn ciepła lub chłodu.
Ciepło można odbierać nawet z lodu
Ze względu na to, że czynnik roboczy wykorzystywany w pompach ciepła charakteryzuje się niską temperaturą parowania, do efektywnego działania tych urządzeń wystarcza pobór ciepła o relatywnie niewielkiej temperaturze. Dzięki temu pompy ciepła mogą pracować nawet w rejonach podbiegunowych.
– Otworowe wymienniki ciepła mogą być równie dobrze wykonane w lodzie. Jeżeli na przykład ma on temperaturę -10 st. C, a my schłodzimy go do -15 st. C, odbierzemy wówczas ciepło niskotemperaturowe, które pompa ciepła jest w stanie zamienić na ciepło użyteczne. Trzeba jednak wziąć tu pod uwagę fakt, że koszt pracy pompy ciepła jest tym wyższy, im niższą temperaturę ma ciepło pozyskiwane z otoczenia. W przypadku urządzeń, które pobierają ciepło z takich otworów, jakie mamy w AGH, jego koszt stanowi około 1/4 kosztu prądu elektrycznego zasilającego pompę ciepła. Gdybyśmy pozyskiwali ciepło z otworów w lodzie, wynosiłby on np. 1/2 kosztu energii zasilającej. Na wiecznej zmarzlinie na Syberii czy na północy Kanady to jak najbardziej się sprawdza. Używane tam wymienniki otworowe mogą korzystać również z ciepła przemiany fazowej, czyli przejścia z wody w lód lub odwrotnie, co dodatnio wpływa na efektywność energetyczną tych instalacji (na północnych rubieżach chłód też się czasem przydaje). To jest zawsze pytanie o opłacalność – rozwiązania, które w danym otoczeniu są bardzo użyteczne, w innym mogą być zupełnie pozbawione sensu – tłumaczy dr hab. inż. Tomasz Śliwa, profesor AGH na Wydziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu, twórca i kierownik Laboratorium Geoenergetyki w AGH.
Świetne warunki dla geoenergetyki w AGH
Pierwsze wiercenia pod instalację wymienników ciepła wykonano w AGH w 2008 r., korzystając z grantu pozyskanego przez prof. Śliwę na ten cel ze środków budżetu państwa. Wtedy również dokonano zakupu oraz montażu aparatury niezbędnej do praktycznego zagospodarowania podziemnych zasobów ciepła. W póżniejszych latach wykorzystane zostaly również środki z projektu "Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza"*. Pytania o opłacalność inwestycji musiały przynieść pozytywny rezultat, ponieważ warunki geologiczne na terenie uczelni są korzystne dla tego typu inwestycji.
– Działanie otworowych wymienników ciepła jest w pewnym sensie niezależne od geologii, jednak w zależności od warunków trzeba wykonać mniej lub więcej otworów dla danego obiektu. W naszym obszarze geograficznym gorsze warunki występują tam, gdzie skały charakteryzują się małym przewodnictwem cieplnym i są suche. Najlepsze natomiast w tych miejscach, gdzie posiadają wysoką przewodność cieplną i zawierają wodę – zwłaszcza wtedy, kiedy przepływa ona przez przewiercone warstwy wodonośne. Właśnie takie warunki występują pod całym kampusem AGH, więc pod tym względem nie ma żadnych przeszkód, żeby taką inwestycję tutaj rozwijać – opisuje prof. Śliwa.
Dr hab. inż. Tomasz Śliwa, prof. AGH, kierownik Laboratorium Geoenergetyki AGH, obok przyczepki używanej do przeprowadzania testów przewodnictwa cieplnego gruntu TRT w terenie, fot. Marianna Cielecka
Przy projektowaniu i wykonywaniu prac większe obawy budziło ryzyko uszkodzenia znajdującej się w gruncie infrastruktury technicznej, zwłaszcza wobec niedostatku dokumentacji na jej temat, co stanowi nie tylko lokalny problem.
– Jej ilość jest tak duża, że zwłaszcza przed wierceniem otworów horyzontalnych baliśmy się, żeby w coś nie trafić. Ponadto do głębokości dwóch metrów w miastach można spodziewać się przeróżnych rzeczy – jeżeli były wykonywane przed rokiem 1990, nie były wprowadzane na mapy geodezyjne i tak też jest w przypadku AGH. Akurat więc w tym aspekcie wybrana lokalizacja nie była najlepsza, ale mimo to udało się wszystko zrobić bez uszkodzenia niczego po drodze – podkreśla kierownik Laboratorium Geoenergetyki.
Badania i demonstracja możliwości technicznych
Choć otworowe wymienniki ciepła z powodzeniem realizują utylitarne cele, głównym motywem utworzenia instalacji w AGH było prowadzanie na nich badań naukowych. Obserwując działanie instalacji, badacze dowiadują się, jak różne rozwiązania konstrukcyjne zastosowane w wymiennikach oraz konfiguracja parametrów eksploatacyjnych, np. prędkość przepływu czynnika roboczego – roztworu glikolu, wpływają na efektywność poboru ciepła (moc grzewczą z jednego metra otworu). Na potrzeby badawcze w wymiennikach zastosowano rury o rożnym rodzaju i grubości, a także użyto różnych materiałów do uszczelnienia otworów wiertniczych. Wiercenia przy budynku D-2 zostały również wykonane pod różnymi kątami względem poziomu terenu.
– Badań prowadzimy mnóstwo i co warte podkreślenia, są one prawie cały czas realizowane z udziałem studentów, ponieważ od 1998 r. pełnię również funkcję opiekuna Koła Naukowego „GEOWIERT”, które w obecnym roku obchodzi 70-lecie istnienia i jest jednym z najstarszych kół naukowych w AGH. Studenci później na podstawie prowadzonych badań piszą prace inżynierskie i prace magisterskie. Zaczęło się to jeszcze na wiele lat przed tym, nim udało mi się utworzyć studia podyplomowe i kierunek studiów stacjonarnych z geotermii. Sami również skupiamy się ostatnio na interpretacji uzyskanych wyników i publikacji naszych wniosków w prestiżowych czasopismach naukowych – mówi kierownik prof. Śliwa.
Uzyskana wiedza przydaje się również, kiedy Laboratorium Geoenergetyki proszone jest o przeprowadzanie ekspertyz mających określić potencjał do wykorzystania otworowych wymienników ciepła w danej lokalizacji. Takich komercyjnych zleceń jednostka wykonuje kilkanaście rocznie. Ale to nie jedyny wkład, jaki wnosi we wspieranie rozwoju geoenergetyki. W zamyśle prof. Śliwy wprowadzane na terenie AGH rozwiązania mają również służyć za przykład dobrych praktyk dla wykonawców świadczących usługi na rynku w tej dziedzinie.
– Co roku organizuję konferencję, na którą przyjeżdża już ponad 100 osób, gdzie pokazuję nasze instalacje. Projektanci, nie znając takich możliwości, wykonują swoją robotę po dawnemu, wykorzystując głównie otwory pionowe, i to bez inwencji twórczej. Tu chcę im pokazywać, że można inaczej, uzyskując większą efektywność pracy otworów, a tym samym instalacji grzewczych, a zwłaszcza grzewczo-klimatyzacyjnych – wyjaśnia.
Dr hab. inż. Tomasz Śliwa, prof. AGH, kierownik Laboratorium Geoenergetyki AGH, demonstruje uruchamianie instalacji w pawilonie D-2 - uruchamianie instalacji i odczyt parametrów są możliwe na miejscu w pomieszczeniu laboratorium oraz na stronie: geotermia.agh.edu.pl i zalogowaniu, login: student, hasło: student, fot. Marianna Cielecka
W celu upowszechniania pozyskanej przez swój zespół wiedzy naukowiec z AGH założył serię wydawniczą „Laboratory of Geoenergetics Book. Series”.Publikacje wydawane pod jej szyldem finansowane są z różnych środków, także od sponsorów i rozprowadzane nieodpłatnie wśród studentów geotermii. Ukazało się dotychczas w ten sposób pięć książek, a dwie kolejne są w końcowej fazie redagowania.
Chodziło o zagospodarowanie nieczynnych odwiertów
Prof. Śliwa geoenergetyką zainteresował się w latach 90. jeszcze podczas studiów na kierunku wiertniczym w AGH. Inspiracja przyszła ze strony prof. dr. inż. Stanisława Juchy, który przekazał wówczas studentowi pierwsze informacje na temat możliwości wykorzystania zasobów ciepła tkwiących pod ziemią do celów energetycznych. Tomasz Śliwa zdecydował się wówczas na indywidualny tok studiów w tym kierunku pod opieką prof. dr. hab. inż. Andrzeja Goneta, dobierając do realizowanego programu studiów dodatkowe przedmioty, związane m.in. z ciepłownictwem. W tym celu też, już w 1999 r., zdobył uprawnienia audytora energetycznego.
Swoje zainteresowania z czasu studiów zaczął rozwijać jako asystent:
– Chodziło wówczas głównie o to, żeby nie likwidować nieczynnych otworów służących do wydobycia ropy i gazu czy wierconych w celach poszukiwawczych. Takich odwiertów istnieją na świecie miliony, jeśli nie dziesiątki milionów – ich zamykanie to olbrzymie koszty, więc lepiej je w jakiś sposób zagospodarować. Skupiałem się wtedy na możliwościach ich wykorzystania do czerpania energii geotermalnej, ale dziś dostrzegam też inne możliwości ich wtórnego użycia – np. jako grawitacyjnych i ciśnieniowych magazynów energii. Dysponujemy również w AGH trzema takimi otworami o głębokości 30 m, które służą do demonstracji możliwości tej technologii.
Kiedy prof. Śliwa zaczynał swoją przygodę z geoenergetyką, często spotykał się w środowisku naukowym z niezrozumieniem dla wyboru ścieżki kariery w tym kierunku. Niejednokrotnie sugerowano mu wówczas, żeby zamiast tego skupił się na zagadnieniach związanych z pozyskiwaniem tradycyjnych paliw kopalnych. Konieczność ich zastąpienia zielonymi źródłami energii, w związku z walką z globalnym ociepleniem, nie była jeszcze w tamtych czasach tak mocno podkreślana jak obecnie.
Dziś geoenergetyka jest bardzo na czasie ze względu na sytuację geopolityczną i związane z nią dążenia do dywersyfikacji źródeł energii, a także potrzebę ochrony środowiska. Temat jest bardzo promowany w Unii Europejskiej, więc nasze prowadzone od wielu lat badania w tym zakresie wstrzeliły się w to, co aktualnie jest na topie. Ale równie dobrze mogło być inaczej – w nauce nie zawsze ma się szczęście. Mogę się tylko cieszyć, że zająłem się dawno temu czymś, co wówczas w Polsce budziło zainteresowanie jedynie bardzo wąskiej grupy specjalistów, a obecnie procentuje – mówi prof. Śliwa.
*Ze środków projektu Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza sfinansowane zostały dwa otwory z bezpośrednim parowaniem, dublet studni, dwa horyzontalne wymienniki ciepła oraz dwie pompy ciepła pracujące w ramach opisanego w tekście „poletka B”, pomiędzy pawilonami A-4 i D-2.
Znikające lodowce - AGH NAUKA spotkania (nr 29) 
Projekty BG AGH z finansowaniem z programu „Społeczna odpowiedzialność nauki” 
