Kopalnie węgla mogą dostarczać stuprocentowo czystej energii
Pierwsze kopalnie węgla w angielskim mieście Gateshead powstały w XIV w. Żadna już nie pracuje. Ostatnią zamknięto w latach 70. XX w. Miasto – leżące nad dolnym biegiem rzeki Tyne – przez stulecia rywalizowało ze swoim sąsiadem Newcastle. Przedmiotem tego napięcia były m.in. bogate złoża węgla. Sąsiad zza rzeki wiele razy próbował przejąć nad nimi kontrolę. Bez powodzenia.
Węglowi kamiennemu zawdzięcza Gateshead błyskawiczny rozwój podczas rewolucji przemysłowej. Małe miasteczko handlowe o znaczeniu lokalnym przeobraziło się w XIX stuleciu w liczący ponad 100 tys. mieszkańców ośrodek przemysłu maszynowego, chemicznego i stalowego. Gdy pół wieku temu zamykano ostatnie kopalnie, nikt zapewne się nie spodziewał, że w przyszłości ludzie znów sięgną po zgromadzone w nich zasoby energii. Tym razem jednak nie będzie to węgiel.
Ziemskie skały są pełne wody. Do jej odprowadzania z kopalń służą sztolnie. W tych nieczynnych sztolnie przestają być potrzebne, więc woda stopniowo zalewa szyby i chodniki. Jej temperatura zależy od głębokości. Im niżej, tym jest – za sprawą ciepła płynącego z wnętrza globu – wyższa: przyrost to średnio 25 st. C na kilometr, choć oczywiście jest wiele stref aktywnych tektonicznie lub wulkanicznie, gdzie ten gradient jest znacznie większy. Gateshead to nie dotyczy. Tu, podobnie jak w całej Wielkiej Brytanii, skały nie wykazują najmniejszych oznak aktywności. Są za to – niczym ziemia przez krety – przeryte setkami kilometrów wyrobisk górniczych, pełnych ciepłej wody. A tym samym – energii, którą można np. ogrzać domy.
Korytarze
Tak postanowiono w Gateshead. Około 150 m pod centrum miasta znajdują się dawne kopalniane chodniki wypełnione wodą o temperaturze 14–16 st. C. To rzecz jasna za mało, by człowiekowi było zimą wystarczająco ciepło. Taką wodę można jednak dość łatwo i względnie niedrogo podgrzać do bardziej komfortowego poziomu 40–50 st. C za pomocą pomp ciepła. Działają one na prąd bardzo efektywnie: jeden kilowat energii elektrycznej wytwarza 3–4 kilowaty energii cieplnej.
W połowie przyszłego roku – jeśli wszystko przebiegnie zgodnie z planem – inżynierowie do spółki z naukowcami z Durham University, dobiorą się do wód znajdujących się w dawnej kopalni węgla kamiennego w Hebburn, miejscowości położonej niedaleko Gateshead.
Projekt przygotowany trzy lata temu dla Gateshead składa się w uproszczeniu z trzech etapów. Woda kopalniana, tłoczona odwiertem na powierzchnię, trafia do wymiennika ciepła oraz wspomnianych pomp. Sama podgrzana, podnosi temperaturę wody krążącej w sieci c.o. i przeznaczonej do użytku domowego dla ok. 5 tys. mieszkań w centrum miasta. W końcu powraca pod ziemię drugim odwiertem. Uzupełnieniem całego systemu jest farma fotowoltaiczna dostarczająca prądu. Inwestycję praktycznie już ukończono i obecnie trwa zbieranie dziesiątek pozwoleń oraz próbny rozruch i testowanie poszczególnych elementów. Instalacja ma zacząć działać przed końcem roku.
W Wielkiej Brytanii takich projektów opracowano już ok. 30. Realizowanych na razie jest kilka. W połowie przyszłego roku – jeśli wszystko przebiegnie zgodnie z planem – inżynierowie do spółki z naukowcami z Durham University, dobiorą się do wód znajdujących się w dawnej kopalni węgla kamiennego w Hebburn, miejscowości położonej niedaleko Gateshead. Wydobycie prowadzono tu od końca XVIII w. do lat 30. XX w. Teraz, po niemal stu latach, uznano, że warto sięgnąć po dostarczaną przez planetę energię cieplną marnującą się na głębokości prawie 300 m. Ciepło ma trafić do domów czynszowych i wielorodzinnych budynków zbudowanych przez miasto. Wiercenia już zakończono i trwa budowa „centrum energii”, w którym ciepło odebrane wodom kopalnianym będzie transferowane najpierw do pomp ciepła, a finalnie do sieci c.o.
Magazyny
Zanim jednak wszystkie te projekty ruszyły, na początku 2020 r. opublikowano raport przygotowany przez grupę geologów zatrudnionych w Coal Authority. To urząd zarządzający terenami pokopalnianymi, w tym ich rekultywacją, usuwaniem efektów ubocznych działalności górniczej, takich jak osiadanie gruntu czy zanieczyszczenie wód gruntowych. W Wielkiej Brytanii przeznacza się na ten cel blisko 2,5 mld funtów rocznie. Bo zamknięcie kopalni nie kończy problemów z nią związanych. We wspomnianym raporcie – stworzonym przy udziale badaczy z British Geological Survey (BGS) – stwierdzono, że ok. 5 mln osób mieszka nad podziemnymi wyrobiskami górniczymi – chodnikami, galeriami, sztolniami, szybami – powstałymi w wyniku trwającej przez setki lat eksploatacji pokładów węgla kamiennego.
Naukowcy opracowali mapę, na którą nanieśli obecne temperatury wód wypełniających różne poziomy dawnych kopalń (wykonano kilkaset odwiertów). Wyniki pomiarów porównano z danymi sprzed stu lat. Okazało się, że nic się nie zmieniło, bo ciepło planety nieustannie wodę podgrzewało. Wtedy zaczęto patrzeć na nią nie jak na kłopotliwą uciążliwość, ale na strategicznie ważny rezerwuar energii. Jego objętość oszacowano na ponad 2 mld m sześc.
Z ostrożnych wyliczeń badaczy wynikało, że z tego ciepła mogłoby skorzystać nawet milion mieszkań i domów położonych na dawnych terenach górniczych. Potrzebne były jednak szczegółowe badania nad naturą tego nowego źródła odnawialnej energii. Od roku prowadzi się je pod Glasgow, szkockim miastem także wyrosłym w XIX w. na węglu kamiennym. Naukowcy z BGS na terenie jednej z dawnych kopalń wykonali kolejny tuzin odwiertów, w których umieścili setki czujników rejestrujących kierunki przemieszczania się wody, wahania jej temperatury oraz tempo odnawiania się tego energetycznego skarbca. Dane te zostaną wykorzystane w równaniach matematycznych i modelach komputerowych, którymi można się będzie podeprzeć przy planowaniu kolejnych projektów pozyskiwania ciepła skrywającego się w mrokach dawnych kopalń.
Gdy w 2018 r. w Zagłębiu Ruhry zamykano ostatnią w Niemczech głębinową kopalnię – Prosper-Haniel – naukowcy z Universität Duisburg-Essen opracowali projekt przekształcenia jej w hydroelektrownię szczytowo-pompową.
Gwoli sprawiedliwości dodajmy, że pionierami w tej dziedzinie byli Holendrzy, którzy od 2008 r. ogrzewają w ten pomysłowy sposób mniej więcej pół tysiąca domów oraz centrum handlowe w mieście Heerlen w Limburgii na południu kraju, gdzie kopalnie węgla zamknięto w latach 60. XX w.
W Glasgow geolodzy weryfikują jeszcze jeden sposób wykorzystania podziemnych wyrobisk górniczych – jako magazynów nadwyżek zielonej energii produkowanej przez farmy fotowoltaiczne i wiatrowe. Teoretycznie nadmiar mógłby posłużyć do podwyższenia temperatury wód kopalnianych, dzięki czemu pompy ciepła miałyby mniej pracy. Kłopot polega na tym, że nie wiadomo, co dokładnie działoby się z takim ciepłem w pokopalnianych tunelach. Idea wydaje się więc atrakcyjna, ale w praktyce może się okazać trudna do wdrożenia.
Gdy w 2018 r. w Zagłębiu Ruhry zamykano ostatnią w Niemczech głębinową kopalnię – Prosper-Haniel – naukowcy z Universität Duisburg-Essen opracowali projekt przekształcenia jej w hydroelektrownię szczytowo-pompową. Miała mieć moc 200 MW i składać się z powierzchniowego zbiornika wody oraz rezerwuaru zlokalizowanego w głębokim na ponad kilometr labiryncie podziemnych komór i chodników górniczych o długości 25 km. W godzinach szczytu energetycznego woda spływająca z górnego do dolnego zbiornika poruszałaby turbinami produkującymi prąd, a w pozostałych – tę samą wodę przepompowywano by ponownie na powierzchnię. Na razie idea z powodów technicznych pozostała jedynie na papierze.
Windy
Być może szybciej zrealizowany zostanie inny niecodzienny pomysł, którego twórcy chcieliby do produkcji energii wykorzystać siłę ciężkości oraz nieczynną kopalnię. Znów jesteśmy w Szkocji, ale tym razem w Edynburgu. Mieści się tu innowacyjna firma Gravitricity, którą założył profesor miejscowego uniwersytetu Peter Fraenkel. Doszedł on do wniosku, że idealnym miejscem do gromadzenia zapasów energii są głębokie szyby, w których mogłyby przemieszczać się w pionie ciężary podwieszone do systemu kołowrotów i wyciągarek.
Zaskakująco dobre efekty sprawiły, że na początku 2022 r. brytyjski rząd zaproponował Gravitricity, aby za 913 tys. funtów zbudowała system o mocy 4 MW w doświadczalnym parku energetycznym w hrabstwie Yorkshire.
W 2016 r. naukowiec otrzymał na swoje eksperymenty 650 tys. funtów z rządowego funduszu Innovate UK. Za te pieniądze zbudował demonstracyjne urządzenie o mocy 250 kW, które rok temu podłączył do sieci energetycznej. Było to piętnastometrowej wysokości rusztowanie, we wnętrzu którego poruszały się dwa stalowe ciężary, każdy o masie 25 ton. Przez trzy miesiące podnoszono je, gdy energia w sieci jest tania i w nadmiarze, a opuszczano z prędkością 0,6 m na sekundę, kiedy zapotrzebowanie na energię – a tym samym jej cena – rosły. Jadąc w dół, poruszały generatorami prądu.
Zaskakująco dobre efekty sprawiły, że na początku 2022 r. brytyjski rząd zaproponował Gravitricity, aby za 913 tys. funtów zbudowała system o mocy 4 MW w doświadczalnym parku energetycznym w hrabstwie Yorkshire. W tym przypadku ciężary będą się poruszały w specjalnie wydrążonym dla nich szybie, ale firma rozgląda się również za dogodnymi kopalniami. Najbardziej zaawansowane rozmowy prowadzone są z władzami zamkniętej w ubiegłym roku czeskiej kopalni Staříč niedaleko Ostrawy, gdzie nietypowy mobilny magazyn energii zostałby umieszczony w szybie o głębokości kilometra. Jeszcze bardziej obiecujące są kopalnie w RPA, gdzie znajdują się otwory o głębokości nawet 3 km.
Oczywiście im większa różnica wysokości, tym więcej energii można zmagazynować, aby później się nią podzielić. Z analiz, które przeprowadzili Fraenkel i jego współpracownicy, wynika, że pełnoskalowy system może w razie potrzeby zaopatrzyć w prąd ok. 60 tys. mieszkań. Pełnoskalowy, czyli taki, który składa się z 24 ciężarów ważących łącznie 12 tys. ton i opuszczanych z wysokości 800 m. W Gravitricity twierdzą, że na całym świecie jest ok. 1400 szybów kopalnianych, w których dałoby się umieścić taką energetyczną windę. Ciężary można podnosić i opuszczać bez końca, wiele razy na dobę przez dziesiątki lat, i to bez utraty ich sprawności, czego nie można powiedzieć o bateriach litowo-jonowych. Do tego zero emisji gazów cieplarnianych, zero spalania paliw kopalnych i stuprocentowo czysta energia.
Naukowcy z BSK i Coal Authority w podsumowaniu swojego raportu napisali: „Cóż za niezwykła ironia losu – dawne kopalnie węgla mogą się przyczynić do zdekarbonizowania energetyki oraz systemów ciepłowniczych”. Trudno się z nimi nie zgodzić.