Większość kopalń węgla kamiennego w Polsce to kopalnie silnie metanowe. Co zrobić z metanem po jego ujęciu i odprowadzeniu na powierzchnię? Publikacja zwraca uwagę zarówno na zagrożenia wynikające z bezpośredniej emisji metanu do atmosfery, jak i szanse na jego gospodarcze wykorzystanie.
Prowadzona od początku lat 90. ubiegłego wieku intensywna restrukturyzacja górnictwa węgla kamiennego w Polsce nieuchronnie związana jest z likwidacją kolejnych kopalń, w większości cechujących się znaczną metanowością. Wraz ze schodzeniem z eksploatacją na coraz większe głębokości kopalnie Górnośląskiego Zagłębia Węglowego stały się kopalniami silnie metanowymi. Na całkowitą ilość wydzielonego metanu składa się ilość wydzielona bezpośrednio do powietrza wentylacyjnego w kopalniach (metanowość wentylacyjna) oraz ujętego systemem odmetanowania, odizolowanym od powietrza wentylacyjnego.
Wraz z głębokością nastąpił wzrost metanonośności węgla w pokładach, wymuszając potrzebę zwiększenia intensywności odmetanowania. Metan z systemu odmetanowania jest tylko częściowo zagospodarowany. W przypadku jego stosowania zostaje zachowany aspekt bezpieczeństwa, jednakże pozostaje kwestia, co zrobić z metanem po jego ujęciu i odprowadzeniu na powierzchnię. Istotną kwestię stanowi również metan, którego nie udało się ująć poprzez odmetanowanie. Gaz ten wraz z zużytym powietrzem wentylacyjnym wydostaje się bezpowrotnie do atmosfery. W publikacji zwrócono uwagę zarówno na zagrożenia wynikające z bezpośredniej emisji metanu do atmosfery, jak i szanse na jego gospodarcze wykorzystanie.
Polskie górnictwo podziemne charakteryzuje się skomplikowanymi warunkami geologiczno-górniczymi oraz występowaniem szeregu zagrożeń. Większość kopalń węgla kamiennego w Polsce, w tym wszystkie kopalnie należące do Jastrzębskiej Spółki Węglowej SA, to kopalnie silnie metanowe. Oznacza to, że powietrze wypływające szybami kopalnianymi zawiera pewne stężenie metanu, którego wielkość zależy od ilości powietrza oraz ilości dopływającego do niego metanu, wydzielającego się do wyrobisk kopalnianych.
Stężenie metanu w szybach wentylacyjnych, zgodnie z obowiązującymi obecnie przepisami, nie może przekraczać 0,75 proc. Część metanu występująca w górotworze, dzięki stosowaniu systemu odmetanowania, zostaje ujęta do rurociągów systemu odmetanowania i odprowadzona na powierzchnię, co ogranicza ilość metanu dopływającego do powietrza wentylacyjnego. Metan ten zostaje w pewnym stopniu zagospodarowany.
Metan ze złóż węglowych wydziela się także po likwidacji kopalń i może zostać wykorzystany gospodarczo. Wraz z zamykaniem kolejnych kopalń rośnie potencjał dotyczący możliwych do odkrycia zasobów metanu ze zlikwidowanych kopalń węgla kamiennego.
Całkowitą ilość metanu, która wydziela się w ciągu minuty do wyrobisk kopalni i do systemu odmetanowania, nazywana jest metanowością bezwzględną lub całkowitą. Ilość metanu wydzielającego się w określonym okresie w kopalni (np. w ciągu jednego roku czy tez miesiąca) przeliczoną na tonę wydobycia w tym okresie nazywana jest metanowością względną. Ilość metanu wydzielającą się do powietrza wentylacyjnego przeliczoną na jednostkę czasu nazywa się metanowością wentylacyjną. Ilość metanu ujęta systemem odmetanowania przeliczona na jednostkę czasu nazywana jest metanowością systemu odmetanowania lub inaczej metanowością odmetanowania.
Metanowość kopalń jest zmienna w czasie, co jest spowodowane nierównomierną metanonośnością pokładów węgla i skał otaczających w przestrzeni złoża, a także intensywnością eksploatacji.
Emisja metanu z kopalń czynnych
W 2019 r. z górotworu objętego wpływami eksploatacji węgla kamiennego wydzieliło się 806 949,7 tys. m sześc. metanu (metanowość bezwzględna), co oznacza, że średnio w ciągu minuty wydzielało się blisko 1 535,3 m seśc. tego cennego paliwa gazowego. W latach 2015–2019 ilość wydzielonego metanu w przeliczeniu na tonę wydobytego węgla netto (metanowość względna) oscylowała w granicach od 12,9 do 14,5 m sześc. CH4/t. W samym zaś 2019 r. wynosiła 13,09 m sześc./t. Z kolei średnia efektywność odmetanowania w 2019 r. wyniosła 37,5 proc., co oznacza wzrost o 2,9 proc. w stosunku do 2018 r. Średnia efektywność zagospodarowania ujętego metanu w 2019 r. wyniosła 62,8 proc. (spadek o 1,3 proc. w stosunku do roku 2018).
Łączna emisja metanu do atmosfery wynosiła w 2019 r. ponad 611 mln m sześc., z czego ponad 506 mln m sześc. w wentylacji zaś metanu wypuszczonego po ujęciu w powierzchniowych stacjach odmetanowania ponad 105 mln m sześc.
Zagospodarowanie metanu ujętego w powierzchniowych stacjach odmetanowania
Metan z pokładów węgla jest bardzo cennym paliwem – o wartości opałowej ok. 50 MJ/kg, a z drugiej strony gazem cieplarnianym o potencjale cieplarnianym 23 razy wyższym od dwutlenku węgla. Całkowita ilość metanu ujętego w powierzchniowych stacjach odmetanowania kopalń węgla kamiennego w Polsce wyniosła w 2019 r. 300 773,5 tys. m sześc., z czego zagospodarowano tylko 195 556,2 tys. m sześc., reszta zaś została wyemitowana została bezpowrotnie do atmosfery.
Należy zaznaczyć, że ujęcie metanu systemem odmetnowania, a także zapotrzebowanie na produkty utylizacji metanu (głównie ciepło) nie były stabilne. Również nie wszystkie kopalnie, w dużym stopniu niezależnie od ich kierownictwa, nie są odpowiednio wyposażone w instalacje do utylizacji metanu. Z tych powodów tylko część metanu ujętego systemem odmetanowania wykorzystano produktywnie.
Jak wynika z analizowanych danych, kopalnie węgla kamiennego wykorzystały na potrzeby własne tylko 47 110,1 tys. m sześc. ujętego metanu, z którego to wyprodukowały 147 488 MWh energii elektrycznej oraz 435 029 GJ energii cieplnej, zaś 148 446,1 tys. m sześc. tego cennego paliwa sprzedały odbiorcom przemysłowym.
Na rys. 1 graficznie zobrazowano ilości pozyskanego i zagospodarowanego metanu w 2019 r.
Rys.1. Całkowita emisja metanu i jego zagospodarowanie w 2019 r.
Przedstawiony materiał wykazuje, że ujęcie metanu w procesie odmetanowania kopalń powinno być zwiększone zwłaszcza podczas prowadzenia odmetanowania eksploatacyjnego lub wprowadzenia nowych technologii odmetanowania wyprzedzającego. Ponadto należałoby przeprowadzić szczegółową analizę powodów, dla których nie wykorzystuje się w 100 proc. ujętego metanu, na który to proces kopalnie poniosły wysokie koszty. Można szacować, że wartość tego niewykorzystanego paliwa mogła wynieść od 100 do 200 mln zł.
Metan z szybów wentylacyjnych – VAM
Zdecydowana większość tego cennego surowca energetycznego została wyemitowana bezpowrotnie do atmosfery. Metan z pokładów węgla emitowany jest do atmosfery z powietrzem poprzez szyby wentylacyjne. Wartość opałowa mieszaniny metanowo-powietrznej, jaką jest mieszanina metanu i powietrza, odprowadzana szybami wentylacyjnymi z kopalni węgla kamiennego do atmosfery zależy głównie od koncentracji metanu.
Podstawową, bardzo duża barierą dla wykorzystania metanu do celów energetycznych, jest jego niskie stężenia w powietrzu wentylacyjnym wynoszące w Polsce średnio ok. 0,3 proc. - co daje bardzo niską wartość opalową mieszanki z powietrzem wynoszącą ok. 0,15 MJ/kg, a maksymalnie zgodnie z przepisami stężenie metanu w szybie może wynosić 0,75 proc., co daje wartość opałową rzędu ok. 0,375 MJ/kg. Stężenie metanu w mieszaninie powietrzno-metanowej przeznaczonej do spalania może być podnoszone poprzez dodawanie metanu pozyskanego głównie z odmetanowania pokładów węgla lub poprzez odpowiednie zmiany wielkości wydatku powietrza w kopalni.
Badania naukowe i doświadczenia praktyczne, zwłaszcza w ostatnich latach, pozwoliły opracować wiele urządzeń, jak i technologii umożliwiających gospodarcze wykorzystanie ujętego metanu w instalacjach ciepłowniczo-energetycznych.
Jako podstawowe kierunki badań naukowych i przemysłowych umożliwiające gospodarcze wykorzystanie metanu można wyróżnić:
- zagęszczanie (podnoszenie stężenia) metanu poprzez oczyszczanie (usuwanie) z powietrza i innych gazów,
- spalanie metanu z powietrza wentylacyjnego w kotłach wraz z innymi paliwami, np. węglem,
- utlenianie w reaktorach rewersyjnych dla produkcji ciepła,
- utlenianie w reaktorach rewersyjnych i przepływowych katalitycznych dla produkcji ciepła,
- spalania w turbinach gazowych.
Liczne prace badawczo-rozwojowe prowadzone w ostatnich latach doprowadziły do powstania wielu technologii i urządzeń, które umożliwiają wykorzystanie metanu z powietrza wentylacyjnego jako paliwa.
Opracowane instalacje pozwalają na pracę urządzeń, gdy w powietrzu wentylacyjnym koncentracja metanu wynosi nawet 0,1-0, 2 proc. (tylko podtrzymanie autotermii bez dodatkowego do wykorzystania efektu energetycznego).
Dla praktycznych zastosowań, w których koncentracja metanu ulega zmianom w czasie wykorzystania opracowanych metod, wymagana jest koncentracja metanu rzędu 0,5 proc.
Kierunki badań naukowych i przemysłowych umożliwiające gospodarcze wykorzystanie metanu z powietrza wentylacyjnego, jako paliwa głównie dla wytwarzania ciepła, obejmowały:
- współspalanie metanu z powietrza wentylacyjnego w kotłach wraz z innymi paliwami, np. węglem,
- utlenianie metanu z powietrza wentylacyjnego w reaktorach rewersyjnych,
- utlenianie metanu z powietrza wentylacyjnego w reaktorach rewersyjnych katalitycznych i przepływowych katalitycznych,
- bezpośrednie spalania metanu z powietrza wentylacyjnego w turbinach gazowych.
Do technologii służących do utylizacji lub wykorzystania metanu z VAM możemy zaliczyć:
- cieplne reaktory przepływowo-rewersyjne TFRR (VOCSIDIZER),
- katalityczny reaktory przepływowo-rewersyjne CERR,
- katalityczne reaktory przepływowe CFR,
- turbiny gazowe CGT,
- turbiny z katalitycznym spalaniem CCGT,
- turbiny hybrydowe na mieszaninę metan - powietrze - węgiel.
Pozyskiwanie i gospodarcze wykorzystanie metanu z kopalń zlikwidowanych
Pozyskiwanie metanu wiąże się nieodłącznie z bieżącą analizą nie tylko historii eksploatacji węgla czy też struktury kopalni, ale nade wszystko wymaga uwzględnienia czynników geologicznych, które, jak pokazują przykłady, cechują się niejednokrotnie sporą niepewnością.
Obecnie w Polsce prowadzone jest efektywne pozyskanie metanu ze zlikwidowanych kopalń tylko w pięciu (Morcinek, Żory, Moszczenica, Śląsk i Krupiński), choć zasoby metanu w zbiornikach gazu kopalń zlikwidowanych szacowane są na kilka mld m sześc. Przykładowo, ilość pozyskanego i zagospodarowanego energetycznie w 100 proc. metanu tylko z trzech zlikwidowanych kopalń: Morcinek, Żory i Moszczenica w 2017 r. wyniosła około 13,5 mln m sześc., co stanowiło blisko 6,5 proc. pozyskanego i zagospodarowanego metanu z kopalń czynnych.
Dane te świadczą, jak bardzo ważnym i istotnym aspektem jest wykorzystanie metanu ze zbiorników powstałych po zlikwidowaniu kopalń. Proces ten powinien być już uwzględniony i opracowany na etapie projektu likwidacji kopalni. Stopień wykorzystania ujęcia metanu z kopalń zlikwidowanych w Polsce jest niewielki, co spowodowane jest między innymi długotrwałymi i uciążliwymi, z punktu widzenia administracyjnego, procedurami na pozyskiwanie przez przedsiębiorców koncesji na poszukiwanie, rozpoznanie i eksploatację metanu z tych kopalń.
Wydobycie metanu ze zlikwidowanych kopalń węgla kamiennego (Morcinek, Żory, Moszczenica) potwierdziło, że metan ten może pełnić rolę lokalnego źródła energii. Wykorzystanie tego cennego surowca do celów energetycznych wymaga bieżącej analizy rynku cen energii.
Zwiększenie zużycia metanu zgromadzonego w podziemnych zbiornikach gazu zlikwidowanych kopalń powinno pozytywne wpłynąć na wykorzystanie tego paliwa w obszarze Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.
Należy dążyć do powstania lokalnego rynku energii poprzez stosowanie odpowiednich zachęt ekonomicznych dedykowanych zarówno przedsiębiorcom, jak i jego potencjalnych konsumentom. Zachętą dla odbiorców może być kwalifikacja prawna metanu z pokładów węgla jako „zielonego paliwa”.
Szansą na realizacje większej liczby projektów związanych z pozyskiwaniem i gospodarczym wykorzystaniem metanu może być polityka klimatyczna Unii Europejskiej, wyrażająca się wsparciem przedsięwzięć wykorzysujących niskoemisyjne źródła energii.
Zagospodarowanie zasobów metanu ze zlikwidowanych kopalń węgla kamiennego przy uwzględnieniu geologicznych, technicznych i ekonomicznych uwarunkowań wydobycia powinno wpłynąć na uzyskanie znacznych efektów ekonomicznych korzystnych dla przedsiębiorców, gmin i Skarbu Państwa, a nade wszystko korzystnych efektów dla środowiska.
Zagrożenie
Wiele wskazuje na to, że emisja metanu kopalnianego do atmosfery może podlegać w niedalekiej przyszłości przepisom EU ETS lub podobnym regulacjom. Sierpniowy projekt dotyczący przyszłej unijnej strategii w sprawie metanu (POLITICO 2020) głosi, że „UE rozważa wymuszenie faktycznego wstrzymania jakiegokolwiek rutynowego uwalniania lub spalania gazu z szybów wydobywczych w unijnym sektorze energetycznym do 2025 r." i będzie zachęcała międzynarodowych dostawców do dostosowania się do tych zaostrzonych standardów. Ostateczna wersja dokumentu spodziewana jest jeszcze w tym roku.
W takim przypadku opłaty z tego tytułu znacząco podniosłyby koszty wydobycia węgla kamiennego, a tym samym spowodowałyby wyeliminowanie w pierwszej kolejności eksploatację węgla w kopalniach wysokometanowych. W skrajnym hipotetycznym przypadku mógłby to być koszt z tytułu praw do emisji sięgający ponad 1mld zł.
Mając to na uwadze, warto zrobić wszystko, wszelkimi możliwymi sposobami, aby maksymalnie ograniczyć emisję metanu do atmosfery i nie potęgować zmian klimatycznych.
Wobec uzasadnionej, rosnącej presji na maksymalne ograniczenie emisji do atmosfery gazów cieplarnianych oraz położenie nacisku na efektywność energetyczną, wykorzystanie metanu z pokładów węgla staje się w pełni uzasadnione.
Metan z pokładów węgla jest bardzo wartościowym ekologicznym paliwem. Mając na uwadze jego zasoby oraz fakt, iż należy on do grupy gazów cieplarnianych, powinien być on maksymalnie pozyskiwany i gospodarczo wykorzystywany zarówno z kopalń czynnych, jak i zlikwidowanych. Pozyskiwanie metanu ze zbiorników zlikwidowanych kopalń a technologia jego ujęcia powinna być przygotowana już na etapie projektu likwidacji kopalni.
Potrzebna jest nowelizacja Prawa geologicznego i górniczego – w zakresie dalszego uproszczenia procedury „open door” na pozyskiwanie przez przedsiębiorców koncesji na poszukiwanie, rozpoznanie i eksploatację metanu z pokładów węgla w celu uproszczenia i przyśpieszenia procesu koncesyjnego realizowanego w Ministerstwie Środowiska. Ponadto, przedsiębiorstwa górnicze powinny uruchomić przemysłowe instalacje wytwarzania sprężonego gazu ziemnego – metanu pokładu węgla (CNG – MPW), niewykorzystanego w wyniku odmetanowania kopalń do komunikacji i lokalnej energetyki.
Dr Zygmunt Łukaszczyk jest pracownikiem Politechniki Śląskiej, dyrektorem Centrum Kształcenia Ustawicznego
Jeżeli chcesz codziennie otrzymywać informacje o aktualnych publikacjach ukazujących się na portalu netTG.pl Gospodarka i Ludzie, zapisz się do newslettera.
Tylko ruski gaz z wielkiej rury NS2!!! kupowany przez Berlin można polskim niewolnikom Brukseli kupować Alkoholik Kwaśniewski was wprowadził w 2004 do obozów .......