11 grudnia 2025 r. w Kazimierzy Wielkiej (świętokrzyskie) odbędzie się uroczyste otwarcie instalacji (ciepłowni) geotermalnej bazującej na wodach o temperaturze 29°C. Według ustawy Prawo geologiczne i górnicze, wodami termalnymi są wody, które na wypływie z ujęcia posiadają temperaturę nie mniejszą niż 20°C[1]. Instalacja bazująca na dublecie otworów wykorzystuje oczywiście pompy ciepła dla dopasowania temperatury energii do potrzeb odbiorców. Dublet to układ współpracujących przynajmniej dwóch otworów, produkcyjnego i chłonnego.
Wody geotermalne, po oddaniu ciepła, często wymagają zatłaczania z powrotem do skał, głównie ze względu na ich mineralizację. W Kazimierzy Wielkiej nie zatłacza się całej wydobytej wody. Część jej strumienia jest kierowana na pierwsze w Polsce otwarte baseny siarczkowe czynne przez cały rok. Wykorzystuje się więc nie tylko energię zawartą w wodzie w postaci ciepła, ale też jej właściwości lecznicze. Obsługą instalacji zajmuje się spółka Kazimierskie Wody Termalne i Lecznicze, w ramach której obsługę ujęcia nadzoruje Zakład Górniczy. Można więc stwierdzić, że Kazimierza Wielka została kolejnym miastem górniczym w Polsce.
Górnictwo ma różne oblicza. W Polsce, w ogólnym przekazie medialnym i rozumieniu społecznym ogranicza się do pozyskiwania węgla na różne potrzeby energetyczne. Najwięcej energii i ciepła w Polsce i w UE zużywane jest na potrzeby budownictwa (gospodarstwa domowe, handel i usługi oraz pozostali), tj. 31,5 Mtoe rocznie (2023 r.)[1], z czego zdecydowana większość to potrzeby związane z utrzymaniem komfortu cieplnego wnętrz. Całkowite polskie zużycie końcowe energii wg Eurostat wyniosło w 2023 r. 69,1 Mtoe (pozostała energia została zużyta dla transportu – 23,5 Mtoe i przez przemysł – 14,0 Mtoe)[2]. Budownictwo zużyło więc ponad 45% energii. Różne scenariusze na przyszłość zakładają wiele zmiennych. Elektryfikacja ciepłownictwa, tj. zastosowanie pomp ciepła, magazynów i inteligentnych systemów sterowania powinna zredukować to zapotrzebowanie, ale uwzględniając pozabilansowe pozyskanie ciepła niskotemperaturowego ze środowiska. Równocześnie wzrastać będzie zapotrzebowanie na chłód. Poza olbrzymimi środkami na walkę z planetarnym ociepleniem powinno się bardziej zadbać o przygotowanie się do wyższych globalnych temperatur, a wręcz przerzucić środki z tej walki na zabezpieczenie społeczeństw przed gorącem. Jak pokazują liczne prognozy wraz ze wzrostem temperatury na Ziemi rosnąć będą migracje klimatyczne.
Górnictwo otworowe, m.in. ze względu na rozwój geotermii i pozyskiwaniem ciepła z coraz większych głębokości (głównie dla produkcji energii elektrycznej) intensywnie się rozwija. Rozwój wiertnictwa gwałtownie przyspieszył 2 dekady wcześniej, gdy nastąpił intensywny przyrost pozyskiwania węglowodorów ze skał łupkowych. Technologie szczelinowania skał będą i są już wykorzystywane na potrzeby geotermii w głębokich złożach energii cieplnej. Wychodząc m.in. naprzeciw takiej tendencji, na AGH w Krakowie od października rusza na Wydziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu nowy kierunek „Geotechnologie otworowe” na studiach stacjonarnych. Po nowym roku odbędzie się także nabór kandydatów na równie nowy kierunek na studiach magisterskich (3 semestry) pod nazwą „Geotermia – Technika i Technologia”. Aktualnie trwa rekrutacja na studia podyplomowe „Geotermia”, które ruszą od października 2025[3].
W ramach corocznej konferencji[4] pt. „Seminarium Geoenergetyka i Geotermalne Pompy Ciepła” odbędzie się (po uroczystym otwarciu instalacji geotermalnej w Kazimierzy Wielkiej) pierwsza w Polsce Barbórka Geotermalna. Ze względu na zwiększającą się w Polsce liczbę wierceń geotermalnych oraz otworowych wymienników ciepła na potrzeby gruntowych pomp ciepła wydaje się, że nadszedł czas, aby swoje Barbórki mieli nie tylko górnicy podziemni, górnicy odkrywkowi, pracownicy uzdrowiskowych zakładów górniczych, ale też właśnie przedstawiciele geotermalnych zakładów górniczych, jak też firm wykonujących wiercenia.
Energia geotermalna nie jest tak oczywista jak energia słoneczna, czy wiatrowa, albo wodna. Napisano kiedyś, że Geotermia to OZE dla odważnych[5]. Dla rozwoju geotermii największym problemem w najbliższym czasie może okazać się mała liczba fachowców z doświadczeniem. Stąd też działania podejmowane na AGH w Krakowie m.in. przez Laboratorium Geoenergetyki[6].
Jak dotychczas działa w Polsce jedno uzdrowisko termalne (w Uniejowie). Być może w Kazimierzy Wielkiej powstanie drugie, z racji na unikatowy charakter tamtejszych wód geotermalnych, już wykorzystywanych od 2024 r. w balneoterapii i rekreacji. Choćby na tych przykładach widać, że geotermia to nie tylko energetyka/ciepłownictwo. W Uniejowie można wynająć już mieszkanie w blokach, gdzie w łazienkach są trzy, a nie dwa, kurki w kranach. Z tego trzeciego można napełnić wannę ciepłą wodą geotermalną wydobywaną z głębokości 2 km p.p.t. Miasto Uniejów jest przykładem szerokiego wykorzystania wód geotermalnych oraz wielkiego skoku rozwojowego, który bazuje na lokalnym bogactwie w postaci dolnokredowych wód o temperaturze 69°C.
Autor ma nadzieję, że na podobnej drodze znalazła się również Kazimierza Wielka. Wykorzystuje się tam wody geotermalne o najniższej temperaturze ze wszystkich działających dotychczas geotermalnych zakładów górniczych. Najlepszym sposobem na ich wielokierunkowe zagospodarowanie energetyczne są sieci ciepłownicze 5-ej generacji, gdzie wykorzystuje się niskie temperatury nośnika ciepła i/lub chłodu (rys. 1). Dublet otworów geotermalnych umożliwia pozyskiwanie i zatłaczanie siarczkowych wód o temperaturze 29°C z utworów cenomanu (najstarsze piętro górnej kredy). Otwory produkcyjny (Cudzynowice GT-1) i chłonny (Cudzynowice GT-2) są oddalone o ok. 3,5 km. Uproszczony schemat działania instalacji geotermalnej w powiecie Kazimierskim pokazuje rys. 2.
Rys. 1. Rozwój sieci ciepłowniczych
Rys. 2. Uproszczony schemat zrównoważonego systemu geotermalnego DHC wykorzystującego zasoby wód geotermalnych z formacji cenomańskiej w Kazimierzy Wielkiej i w Cudzynowicach; 1 – otwór produkcyjny Cudzynowice GT-1 w Cudzynowicach, 2 – otwór zatłaczający (chłonny) Cudzynowice GT-2 w Kazimierzy Wielkiej, 3 – centrala ciepłownicza z wymiennikami ciepła w Cudzynowicach
i 3` – w Kazimierzy Wielkiej, 4 – pompy ciepła w Cudzynowicach i 4` – w Kazimierzy Wielkiej, 5 – sieć dystrybucyjna do odbiorców w Cudzynowicach i 5` – w Kazimierzy Wielkiej, 6 – gazowe kotły jako źródła szczytowe w Cudzynowicach i 6` – w Kazimierzy Wielkiej,
7 – przesył ciepła do odbiorców w Cudzynowicach i 7`- w Kazimierzy Wielkiej, 8 – przesył wody siarczkowej do całorocznych basenów,
9 – utwory cenomanu
W Laboratorium Geoenergetyki AGH powstała także koncepcja opracowana dla ogrzewania i klimatyzacji miasta Czechowice-Dziedzice. Na rys. 3 pokazano przykład działania systemu ciepłowniczego w lecie, a na rys. 4 zimą. Podstawą jego działania są otwory wiertnicze pracujące jako otworowe wymienniki ciepła. Umożliwiają one wymianę ciepła z górotworem pod działkami należącymi do Miasta Czechowice-Dziedzice. Analizowano jedynie te działki, które znajdują się w sąsiedztwie istniejącej sieci ciepłowniczej oraz jedną dużą działkę na terenach zalewowych, gdzie można wykonać ponad 800 takich wymienników. W opracowaniu otwory stanowią kanały łączności ze skałami górotworu, będącymi w ich rejonie magazynem ciepła jawnego. Zimą pozyskiwane jest ze skał ciepło niskotemperaturowe. Prowadzi to do ich wychładzania. Obszary udostępnione otworowymi wymiennikami stanowić zaczynają podziemny magazyn chłodu, który latem jest wykorzystywany przez sieć do dystrybucji wody dla rewersyjnych pomp ciepła u odbiorców, które w trybie klimatyzacji zmniejszają temperaturę wnętrz. W tym samym czasie ciepło z wnętrz oraz ze sprężarek jest wprowadzane do sieci i do górotworu, celem jego magazynowania na sezon grzewczy. Zaproponowane w koncepcji pompy ciepła są tzw. gruntowymi pompami, które mają tę przewagę nad powietrznymi, że ciepło z wnętrz i ze sprężarki (ciepło z napędowej energii elektrycznej) nie jest wprowadzane bezpowrotnie do atmosfery, ale jest magazynowane w górotworze i wykorzystywane podczas ogrzewania. Ciepło z górotworu zimą (rys. 4) i regeneracja górotworu (rys. 3) obrazują podziemne magazyny ciepła udostępnione za pomocą otworowych wymienników, które sezonowo pracują wymieniając ciepło w różnych kierunkach. Na rys. 3 i 4 pokazano także źródła w postaci ciepła geotermalnego z wentylacji i z odwadniania kopalni podziemnej węgla kamiennego „Silesia”. W tym przypadku zastosowana powinna być pompa powietrzna (dla powietrza wentylacyjnego wydobywanego z szybów wentylacyjnych) oraz pompa geotermalna (typu woda-woda, dla odbioru ciepła z wód podziemnych).
Rys. 3. Uproszczony (poglądowy) schemat pracy sieci 5G DHC i działania w lecie (DHC z ang. district heating-cooling)[7]
Rys. 4. Uproszczony (poglądowy) schemat pracy sieci 5G DHC i działania w zimie (DHC z ang. district heating-cooling)[8]
Instalacją, która może być traktowana jako mikrosieć jeszcze wyższej generacji, jest cyrkulacja nośnika ciepła w urządzeniach Laboratorium Geoenergetyki AGH w Krakowie (rys. 5). Nośnikiem ciepła w wymiennikach otworowych, panelach słonecznych, instalacji pod powierzchnią parkingu i innych jest roztwór glikolu monopropylenowego. Umożliwia to zwiększenie regulacji temperatury w zakresie wartości poniżej 0°C, co zwiększa możliwości sterowania i manewrowania ciepłem. Blokowy schemat działania systemu pokazuje rys. 6 z podziałem na naturalne i sztuczne źródła ciepła/chłodu współpracujące z wielkoskalowym magazynem w górotworze z otworami. Strzałki pokazują możliwe kierunki przepływu ciepła.
Rys. 5. Schemat instalacji Laboratorium Geoenergetyki na bazie odwiertów na polu badawczym A w Krakowie, 1 – współosiowy (centryczny) otworowy wymiennik ciepła w otworze wiertniczym, 2 – wymiennik ciepła z pojedynczą U-rurką w otworze wiertniczym, wypełniony/uszczelniony zwykłym kamieniem cementowym, 3 – wymiennik ciepła z pojedynczą U-rurką w otworze wiertniczym wypełniony kamieniem cementowym o wysokiej przewodności cieplnej, 4 – wymiennik ciepła z pojedynczą U-rurką w otworze wiertniczym wypełniony żwirem i uszczelniony iłem w interwale wodonośnym (tj. w przedziale o głębokości 3-15 m), 5 – wymiennik ciepła z podwójną U-rurką w otworze wiertniczym, 6 – zbiornik buforowy dla czynnika przenoszącego ciepło po stronie zimnej (rezerwuar chłodu), 7 – zbiornik buforowy dla czynnika przenoszącego ciepło po stronie ciepłej (akumulator ciepła), 8 – pompy ciepła, 9 – klimakonwektor do ogrzewania lub chłodzenia pomieszczenia laboratoryjnego, 10 – podgrzewacz/chłodnica wodna działająca w trybie dry coolera, 11 – sieć wodociągowa do napełniania układu, 12 – naczynia wzbiorcze przeponowe, 13 – płytowy wymiennik ciepła do przenoszenia ciepła między zbiornikiem chłodu, a zbiornikiem magazynującym ciepło, 14 – zestaw zaworów do zmiany kierunku przepływu cieczy w współosiowym wymienniku ciepła, 15 – centrala wentylacyjna audytorium Wydziału Wiertnictwa, Nafty i Gazu Akademii Górniczo-Hutniczej przedstawiona na rys. 7; 16 – dodatkowy wymiennik ciepła do bezpośredniej wymiany ciepła między otworowymi wymiennikami ciepła, a kolektorami słonecznymi (bez pośrednictwa zasobników i pomp ciepła), do bezpośredniej regeneracji ciepła w górotworze, 17 – dodatkowy wymiennik ciepła – wspomagający wymiennik ciepła w zbiornikach – dodatkowa powierzchnia wymiany ciepła zwiększająca wydajność, 18 – stacjonarny płaski kolektor słoneczny, 19 – stacjonarny próżniowy kolektor słoneczny, 20 – stacjonarny kolektor “heat pipe“, 21 – kolektor płaski solartrack (mobilny), 22 – próżniowy kolektor słoneczny solartrack (mobilny), 23 – rury grzewcze zainstalowane na parkingu w celu topienia śniegu (odśnieżania) – latem pracujące w trybie wielkopowierzchniowego kolektora słonecznego, 24 – wlot do wyciągu powietrza z audytorium, 25 – dopływ świeżego powietrza do audytorium, 26 – odprowadzenie powietrza zużytego do atmosfery, 27 – wlot świeżego powietrza atmosferycznego, 28 – rekuperator, czyli obrotowy wymiennik ciepła (wentylator odzyskujący ciepło), 29 – szczytowe źródło ciepła – ciepło z sieci ciepłowniczej[9]
Rys. 6. Schemat blokowy działania instalacji Laboratorium Geoenergetyki w oparciu o otworowe wymienniki ciepła (podziemny magazyn ciepła) z pola A (BHEs field)[10]
Rys. 7. Schemat działania centrali wentylacyjnej sali audytoryjnej Wydziału Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH w Krakowie, zobrazowany na rys. X1 jako „Heating-air-conditioning system”[11]
Otworowe wymienniki ciepła w Młoszowej[12] wykonano w technologii umożliwiającej zwiększanie ich głębokości. Dostępność powierzchni w miastach jest ograniczona, a cena wysoka. Stąd obserwuje się ogólnoświatowy trend zwiększania głębokości otworów. Gradient geotermalny nieco redukuje możliwość wykorzystania głębszych otworów do klimatyzacji, ale w tej kwestii również występuje dużo kombinacji działań geoenergetycznych. Otwory wiertnicze można wykorzystywać jako grawitacyjne magazyny energii, a opracowany na AGH system daje możliwość równoczesnej pracy pojedynczego otworu w trybie magazynowania ciepła w ujęciu sezonowym i magazynowania energii potencjalnej w ujęciu dobowym (np. energia elektryczna z paneli fotowoltaicznych do oświetlania ulic). Inne opracowania koncepcyjne, dotyczące geoenergetyki w uciepłownieniu miast, zrealizowane na potrzeby samorządów, mogą doczekać się realizacji w przyszłości, ale najpierw należy wykazać doświadczalnie działanie pierwszej takiej instalacji na bazie niskotemperaturowej wody geotermalnej w Kazimierzy Wielkiej. Niskotemperaturowe ciepło z górotworu ma również bardzo szerokie możliwości wykorzystania w rolnictwie. Jeszcze innym kierunkiem jest wykorzystanie istniejących, a nawet zlikwidowanych otworów wiertniczych.
[1] https://dane.gov.pl/pl/dataset/1199,energetyka-polska
[2] https://dane.gov.pl/pl/dataset/1199,energetyka-polska
[3] https://dane.gov.pl/pl/dataset/1199,energetyka-polska
[4] https://geotermia.agh.edu.pl/podyplomowe?lang=pl
[5] geoenergetyka.agh.edu.pl
[6] Geotermalny Uniejów, Wydawca: Urząd Miasta Uniejów, broszura informacyjna, Uniejów 2022.
[7] geotermia.agh.edu.pl
[8] Śliwa Tomasz, Aneta Sapińska-Śliwa, Zbigniew Jezuit, Adam Koniszewski, Michał Szczytowski, Kamil Bandura, Radosław Rejman. Wstępna koncepcja udostępnienia ciepła Ziemi na potrzeby miasta Czechowice-Dziedzice, Laboratorium Geoenergetyki AGH, Kraków 2022 (materiał nie publikowany).
[9] Śliwa Tomasz, Aneta Sapińska-Śliwa, Zbigniew Jezuit, Adam Koniszewski, Michał Szczytowski, Kamil Bandura, Radosław Rejman. Wstępna koncepcja udostępnienia ciepła Ziemi na potrzeby miasta Czechowice-Dziedzice, Laboratorium Geoenergetyki AGH, Kraków 2022 (materiał nie publikowany).
[10] Sliwa T., Knez D., Gonet A., Sapinska-Sliwa A., Szłapa B., Research and Teaching Capacities of the Geoenergetics Laboratory at Drilling, Oil and Gas Faculty AGH University of Science and Technology in Kraków (Poland), Proceedings World Geothermal Congress 2015, Melbourne, Australia 2015.
[11] Śliwa T., Rosen M.A. (2014), Natural and artificial methods of heat resources regeneration in underground thermal energy storages with borehole heat exchangers, Conference proceedings paper, The 4th world sustainability forum, 1-30 November, s. 1-15.
[12] Śliwa T., Gonet A., Złotkowski A., Sapińska-Śliwa A., Bieda A., Kowalski T., Laboratorium Geoenergetyki : 10 lat działalności: geotermia na Wydziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie: monograph (Laboratory of Geoenergetics: 10 years of activity: geothermal energy at the Drilling, Oil and Gas Faculty AGH University of Science and Technology in Krakow: monograph) ed. Tomasz Śliwa, Drilling, Oil and Gas Foundation and Geoenergetics Laboratory, Kraków 2017, 198 s., (Laboratory of Geoenergetics Book Series ; vol. 4).
KPL – pol. rec
[13] https://geotermia.agh.edu.pl/projekty#about
Źródło: Dr hab. inż. Tomasz Śliwa, prof. AGH, Laboratorium Geoenergetyki AGH, Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
Artykuł pochodzi z wydania 4/2025 “Nowa Energia”
