Laboratorium Geoenergetyki

Ogólny cel

Projekt ma wiele celów związanych z badaniami i wdrożeniami w zakresie odzysku ciepła z górotworu i jego magazynowania (regeneracji zasobów) poprzez otworowe wymienniki ciepła (Śliwa i Rosen 2015). Ogólnym celem projektu jest ochrona atmosfery przed produktami spalania tradycyjnych paliw kopalnych. Cel zostanie osiągnięty dzięki poprawie efektywności energetycznej i ekonomicznej systemów grzewczych i grzewczo-chłodzących opartych na geotermalnych pompach ciepła i otworowych wymiennikach ciepła.

Cele szczegółowe

1. Opracowanie komputerowego modelu zjawisk transportu ciepła w BHE, uwzględniającego wszystkie istotne zjawiska zachodzące w otworze wraz z jego wyposażeniem, w górotworze i na powierzchni. Identyfikacja i kwantyfikacja parametrów wydajności dla wszystkich praktycznych zastosowań BHE. Analiza tych zjawisk na podstawie rozkładu temperatur na różnych głębokościach pozwoli zdecydować, które z czynników są najważniejsze dla tego typu badań i które należy wziąć pod uwagę. Wyznaczenie pola temperatur oraz średniej temperatury sezonowej górotworu jest podstawowym celem i pozwala oszacować potencjał cieplny górotworu w oparciu o najlepszy projekt wymiennika ciepła oraz optymalne strategie dla dużej ich liczby (pole BHEs). Tworzenie modelu i rozwiązywanie problemów jest kluczem do optymalizacji systemu BHE. Celem jest również przetestowanie różnych strategii projektowania i dystrybucji otworowych wymienników ciepła w ograniczonej przestrzeni trójwymiarowej. Model będzie narzędziem do optymalizacji konstrukcji otworowego wymiennika ciepła z kolumną centryczną poprzez sprawdzenie wydajności BHE. Wykorzystane zostaną sprawdzone modele pionowych wymienników ciepła oraz modele symulacyjne. Opracowany model będzie zawierał innowacyjne i optymalne rozwiązania zarówno dla pojedynczego BHE, jak i dla pól BHEs.
2. Opracowanie wewnętrznej rury współosiowej do stosowania w BHEs o większej głębokości. Ograniczenia gruntowe, zwłaszcza na obszarach miejskich, mają tendencję do zwiększania głębokości BHEs. Tradycyjne U-rurki stosowane w BHEs w odwiertach o większej głębokości nie są optymalne ze względu na straty ciepła i opory przepływu nośnika ciepła. Współosiowe BHEs dedykowane są do większych głębokości właśnie ze względu na ograniczenie strat ciepła i ciśnienia związanych z cyrkulacją nośnika. Kluczowymi parametrami rur wymiennika współosiowego są: odpowiednio dobrane przewodności cieplne rur zewnętrznych i wewnętrznych, wytrzymałość mechaniczna, oraz sposób wprowadzenia rury do odwiertu podczas wykonywania BHE. Rura zewnętrzna powinna mieć jak największą przewodność cieplną, natomiast rura wewnętrzna musi izolować termicznie krążący w niej strumień nośnika ciepła. Ze względu na głębokość, rury muszą mieć wystarczająco dużą wytrzymałość mechaniczną. Rozwój BHE o określonych właściwościach termiczno- mechanicznych materiału, o których mowa powyżej, jest częścią celów badawczych. Dodatkowo rura zewnętrzna nie może być zwijana, dlatego należy ją zmontować na miejscu. Celem badań jest również opracowanie kleju do spajania połączeń rury zewnętrznej pod wodą i na mokrej powierzchni.
3. Opracowanie prostej metody optymalizacji parametrów wiercenia, która obniży koszty wykonywania BHEs. Parametry są następujące: prędkość obrotowa świdra, nacisk na świder oraz ciśnienie powietrza w metodzie udarowo-obrotowej. Przy realizacji pola BHEs, pierwsze otwory będą wiercone przy różnych parametrach, co przyczyni się do określenia ich optymalnych wartości dla danych warunków geologicznych (twardość skał, warstwy wodonośne, skłonność do odchylania się od osi otworu). Z punktu widzenia kosztów wiercenia najważniejszymi parametrami są prędkość wiercenia i zużycie świdra. Wymienione współzależności zostaną uwzględnione w opracowanej metodzie polowej i zaprezentowane firmom wykonującym prace wiertnicze.
4. Opracowanie strategii biznesowych i marketingowych umożliwiających wprowadzenie do wdrożenia nowej technologii (współosiowe BHE). W tym obszarze planowana jest m.in. organizacja konferencji dla firm wiertniczych w Polsce i dla różnych szczebli kadr administracyjnych. Celem jest zwiększenie gotowości technologicznej z poziomu 2 do poziomu 6.

Wnioskodawca 1 – Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. AGH jest jedną z 10 uczelni badawczych (3. miejsce) w Polsce (najwyższy poziom w polskim systemie według MNiSW). AGH to uniwersytet nowych technologii. Liczba dziedzin nauki na AGH wynosi 62, w tym energetyka, jej surowce i górnictwo. Łączna liczba studentów (stan na 31 grudnia 2018 r.) to 27 508 (studenci studiów stacjonarnych: 20 412 [w tym studenci zagraniczni: 618], studenci studiów niestacjonarnych: 3 497, doktoranci: 1040 [w tym studenci zagraniczni: 37], studenci studiów podyplomowych: 2 559).

Łączna liczba pracowników (stan na 31 grudnia 2018 r.) wynosi 4056 (kadra dydaktyczno- naukowa: 1845, profesorzy zwyczajni: 136, profesorzy nadzwyczajni: 271 (w tym profesorzy nadzwyczajni z tytułem: 65), adiunkci: 1071 (w tym adiunkci z kwalifikacjami doktorskimi: 252), asystenci: 366. Działalność Wydziału Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH (WWNiG) w zakresie istotnym dla aplikacji do projektu dotyczy rozwoju najnowszych technik i technologii w zakresie: poszukiwania i zagospodarowania złóż, poszukiwania i modelowania budowy geologicznej złóż, projektowania otworów wiertniczych, optymalizacji parametrów technologicznych wierceń, opracowywania receptur płuczek i zaczynów wiertniczych, modelowania matematycznego i symulacji komputerowej eksploatacji złóż surowców, eksploatacji złóż gazu ziemnego i magazynowania CO 2 . W ostatnich latach na WWNiG AGH zrealizowano ponad 30 projektów finansowanych z różnych źródeł i programów m.in. Blue Gas, Gekon, POIG - działanie 1.3, H2020 , Polsko-Norweska Współpraca Badawcza, projekty NFOŚIGW, Ministerstwa Spraw Zagranicznych, projekty Europejskiego Instytutu Innowacji i Technologii EIT oraz projekty Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Zaimplementowano 14 wyników badań naukowych lub prac rozwojowych, uzyskano 16 patentów autorstwa pracowników.

Trzon zespołu badawczego AGH (PP) skupiony jest w Laboratorium Geoenergetyki (LG) na Wydziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu (WWNiG). Są to: prof. Tomasz Śliwa (PI, WWNiG), prof. Andrzej Gonet (WWNiG), prof. Marek Jaszczur (Wydział Energetyki i Paliw), prof. Leszek Pająk (Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska), dr Aneta Sapińska-Śliwa (WWNiG), dr Albert Złotkowski (WWNiG), dr Wojciech Teper (WWNiG), 8 doktorantów, kilku magistrantów, kilku studentów kierunków inżynierskich, przedstawiciel Zespołu Obsługi Zadaniowej Wydziału Rektora AGH, 2 osoby odpowiedzialne za obsługę administracyjną projektu. Zespół posiada bogate doświadczenie badawcze w dziedzinie energii geotermalnej jako nauki interdyscyplinarnej. LG WWNiG AGH działa od 12 lat. W ramach jego działalności możliwe było stworzenie laboratorium z wieloma stanowiskami badawczymi, posiadającymi specjalistyczne oprogramowanie, z dwoma polami otworowych wymienników ciepła składającymi się z 19 wymienników, każdy o innej konstrukcji. Wśród nich znajduje się współosiowy wymiennik z możliwością wymiany kolumny wewnętrznej. Podczas 12 lat działalności zespołu, wielu absolwentów zostało wykształconych w LG, ze szczególnym naciskiem na proces wiercenia. Na WWNiG powstały studia podyplomowe (Geoenergetyka i Geoinżynieria) oraz nowa specjalność na studiach magisterskich (Geoinżynieria i Geotermia). Zrealizowano wiele krajowych i międzynarodowych projektów badawczych. W 2017 roku współrealizowano projekt „Energia geotermalna - podstawa niskoemisyjnego ogrzewania, poprawy warunków życia i zrównoważonego rozwoju - opracowania wstępne dla wybranych obszarów Polski”. Projekt był finansowany w ramach Mechanizmu Finansowego EOG na lata 2009-2014 w ramach Funduszu Współpracy Dwustronnej - tzw. Funduszy Norweskich.

Inne wybrane granty:

1. „Analiza możliwości wykorzystania studni jako otworowych wymienników ciepła na przykładzie studni Iwonicza”, projekt badawczy nr PB 1705 / T12 / 2001/20, grant KBN,
2. „Metodyka i technologia pozyskiwania użytecznej energii geotermalnej z pojedynczego odwiertu”, wykonawca, realizacja projektu docelowego KBN, projekt badawczy, projekt nr 8T10B049 98C / 3844,
3. „Opracowanie zintegrowanego systemu otworowych wymienników ciepła i kolektorów słonecznych w aspekcie poprawy efektywności gospodarowania ciepłem w górotworze”, projekt badawczy, grant NCN, numer rejestracyjny: N N524 353738,
4. „Wzmocnienie samorządów Zakarpacia w zakresie nowoczesnego zarządzania usługami komunalnymi i oszczędzania energii poprzez kompleksowe wykorzystanie energii geotermalnej”, projekt międzynarodowy finansowany przez Ministerstwo Spraw Zagranicznych RP,
5. „Racjonalizacja zarządzania energią w typowych budynkach użyteczności publicznej miasta i Oblasti Iwano-Frankowska”, projekt międzynarodowy finansowany przez Ministerstwo Spraw Zagranicznych RP,
6. „Optymalizacja parametrów wiercenia, w tym dobór technologii wiertniczych, narzędzi, płuczek wiertniczych oraz cementowania otworów pionowych i poziomych do eksploatacji gazu łupkowego” OPTIDRILLTEC, grant NCBiR, w ramach Programu Blue Gas - Polski Gaz Łupkowy, Obecnie zespół aktualizuje wytyczne dla polskich firm wiertniczych dotyczące prawidłowego projektowania i wykonywania otworowych wymienników ciepła.

Wnioskodawca 2 - MuoviTech Polska, Niepołomice, Polska. MuoviTech jest światowym liderem innowacyjnych produktów i systemów dla energii geotermalnej, posiadającym własne zakłady produkcyjne w Szwecji, Finlandii, Polsce, Holandii, Anglii i Norwegii. Tworzymy przyszłość dzięki naszym pracownikom i wiedzy. MuoviTech powstał w 2002 roku, jest stosunkowo niedużą międzynarodową grupą, i oznacza szybkość, nieformalność oraz innowacyjność. W duchu „agile”, czyli zachowania zwinności i responsywności, organizacja jest zbudowana w specjalnej strukturze. Firma macierzysta zlokalizowana jest w Szwecji, a ponieważ jesteśmy małą grupą, skoncentrowaliśmy również niektóre działy, takie jak dział badawczo-rozwojowy oraz dział zapewnienia jakości, w firmie macierzystej i współpracujemy z zespołami wielofunkcyjnymi w każdym kraju. Obecnie nasz dział badawczo-rozwojowy intensywnie pracuje nad innym europejskim projektem poprzez zespół funkcjonalny wraz z naszymi współpracownikami w Finlandii. „Know-how” jest najważniejszym zasobem MuoviTech. Dotychczas dwa patenty (Ojala i in. 2009) oraz (Kalantar & Skrifvars, 2014) zostały złożone; pierwszy odnosi się do kształtu kolektora znanego komercyjnie jako TurboCollector, a drugi dotyczy kompozytu PE o zwiększonej przewodności cieplnej. Z dumą byliśmy członkiem dwóch komitetów technicznych, aby tworzyć i dzielić się naszą wiedzą w ramach Załącznika 27 i europejskiej normy CEN TC451. Ciągłe innowacje w technologii wymagają ogromnej ilości testów w terenie, znanych jako test reakcji termicznej. Ponieważ MuoviTech koncentruje się na rozwoju otworowych wymienników ciepła, ważne jest posiadanie własnego testu polowego. W wielu krajach europejskich cementowanie jest obowiązkowe, więc otwory wiertnicze są wykorzystywane do badań tylko raz. Nie dotyczy to badań i rozwoju w grupie MuoviTech ponieważ w Szwecji cementowanie wymienników ciepła nie jest obowiązkowe, co daje możliwość kilkakrotnego wykorzystania tych samych warunków geologicznych z różnymi BHE w odwiertach testowych. Jest to kolejny powód do centralizacji naszych działań badawczych w Szwecji. Wprawdzie jesteśmy młodzi w branży, ale liczba publikacji naukowych świadczy o naszym entuzjazmie w tworzeniu wiedzy.

Wnioskodawca 3 - Uniwersytet w Stavanger, Norwegia. Uniwersytet w Stavanger (UiS) to uniwersytet oparty na nauce i technologii z siedzibą w Stavanger, która jest stolicą ropy i energii w Norwegii. UiS ma około 12 000 studentów i 1700 pracowników administracji, wykładowców i obsługi. UiS to światowej klasy placówka w dziedzinie energetyki i nauk naftowych. UiS jest doświadczonym uczestnikiem projektów międzynarodowych i brał udział w ponad 20 projektach FP7. UiS jest obecnie zaangażowany w 8 projektów programu „Horyzont 2020”, projektów EOG i projektów finansowanych ze środków krajowych. W projekcie BHEsINNO, Wydział Energetyki i Inżynierii Naftowej zajmuje się wszystkimi istotnymi dziedzinami badań związanych z energią. Szefem wydziału jest Øystein Arild, który jest odpowiedzialny za ten projekt ze strony UiS. Kluczowymi obszarami badawczymi na wydziale są energetyka, wiercenia, produkcja, złoża i integralność odwiertów. Grupa energetyczna na wydziale ma bogate doświadczenie w wielu projektach finansowanych ze środków unijnych i krajowych, takich jak H2-IGCC (niskoemisyjna technologia turbin gazowych do gazu syntezowego bogatego w wodór), ENSEA (European North Sea Energy Alliance), Zrównoważone rozwiązania energetyczne i środowiskowe: technologia i polityka, Mapa drogowa dla dekarbonizacji indyjskiego systemu energetycznego: badanie innowacyjnych rozwiązań i Bio-CHP-Monitor (Teoretyczne i eksperymentalne badanie technologii wykorzystujących biogaz z użyciem zaawansowanych i inteligentnych narzędzi do modelowania i monitorowania). Grupa prowadzi obecnie dwa pakiety robocze w dwóch projektach UE, mianowicie ENSYTRA w zakresie tranzycji systemu energetycznego i NextMGT w zakresie nowej generacji rozproszonych systemów energetycznych. Grupa energetyczna kieruje również obszarem programu energii geotermalnej na UiS, w ramach którego opracowywane są działania badawcze w temacie głównych wymiarów energii geotermalnej, od zasobów podziemnych po technologie produkcji na powierzchni. Głównymi ekspertami w projekcie BHEsINNO będą prof. Mohsen Assadi i dr Homam Nikpey. Ich badania koncentrowały się na czystych technologiach, integracji systemów energetycznych, inteligentnych systemach energetycznych, optymalizacji techniczno-ekonomicznej, energii geotermalnej i transferze wiedzy z sektora ropy naftowej do sektora energii odnawialnej.