Dawne odkrywki węgla brunatnego jako przyszłe magazyny prądu - wrocławscy naukowcy testują nowe technologie

Problem: co zrobić z terenami po wydobyciu węgla brunatnego

Po zakończeniu eksploatacji odkrywek węgla brunatnego pozostają rozległe wyrobiska, zbiorniki wodne i infrastruktura, które zwykle latami czekają na jakiekolwiek zagospodarowanie. Tymczasem właśnie te tereny - dzięki naturalnym różnicom wysokości i istniejącym zbiornikom - mogą stać się elementem systemu energetycznego przyszłości. Nad takim rozwiązaniem, a także nad ograniczeniem emisyjności hutnictwa, pracują teraz naukowcy z Politechniki Wrocławskiej, którzy będą koordynować dwa międzynarodowe projekty badawcze finansowane z unijnego Funduszu Badawczego Węgla i Stali. Łączny budżet obu przedsięwzięć przekracza 23,5 mln euro, a sama uczelnia otrzyma na swoje zadania niemal 2,7 mln euro.

Choć projekty dotyczą różnych branż - energetyki i hutnictwa - obydwa mają wspólny cel: zmniejszenie śladu węglowego przemysłu przy wykorzystaniu odpadów, biomasy oraz infrastruktury pozostałej po wydobyciu kopalin.

Elektrownie szczytowo-pompowe w wyrobiskach pogórniczych

Najbardziej nowatorskim z dwóch przedsięwzięć jest projekt MINE2PHS, którego celem jest zamiana terenów po odkrywkach węgla brunatnego w małe i średnie elektrownie szczytowo-pompowe. Zbiorniki wodne, różnice wysokości i pozostała infrastruktura pogórnicza mają posłużyć jako gotowa baza do budowy takich instalacji.

Kluczem do tej technologii jest rozwiązanie Pump-as-Turbine (PAT) - standardowa pompa odśrodkowa, która jednocześnie działa jak turbina. Jednostki tego typu mają być dostosowane do spadów rzędu 20-100 metrów, czyli warunków typowych dla wielu wyrobisk pogórniczych w Europie.

Zasada działania jest zbliżona do klasycznych elektrowni szczytowo-pompowych: nadmiar energii z sieci pompuje wodę do górnego zbiornika, a gdy zapotrzebowanie rośnie, woda spływa w dół i napędza turbinę. Różnicą jest zastosowanie pompy PAT zamiast osobnej turbiny, co ma obniżyć koszty inwestycyjne i uprościć konstrukcję całego systemu.

Zespół z Politechniki Wrocławskiej odpowiada za modelowanie przepływu wody i optymalizację układu hydraulicznego. Celem jest podniesienie sprawności systemu o 4 do 6 procent względem dotychczasowych rozwiązań bazowych.

Co to oznacza w praktyce - grecki demonstrator i plany na przyszłość

Technologia zostanie sprawdzona w realnych warunkach - w wyrobisku odkrywkowej kopalni należącej do greckiej firmy Lignitorycheia Achladas, partnera konsorcjum. Powstanie tam demonstrator o mocy do 0,8 MW i pojemności 6 MWh, na którym przetestowane zostaną sprawność, niezawodność, elastyczność pracy oraz zdolność współpracy z siecią elektroenergetyczną.

Projekt zakłada podniesienie poziomu gotowości technologicznej z obecnego TRL 5-6 do TRL 7-8, co oznacza realny krok w stronę komercjalizacji rozwiązania. W konsorcjum MINE2PHS znalazło się sześć instytucji z Polski i Grecji:

• Politechnika Wrocławska
• AGH w Krakowie
• Poltegor-Instytut
• Instytut Techniki Górniczej KOMAG
• Technical University of Crete

Wartość całego przedsięwzięcia sięga blisko 13 mln euro, z czego budżet PWr to około 2 mln euro. Jeśli testy zakończą się powodzeniem, podobne instalacje mogłyby powstać w innych regionach pogórniczych Europy, dając drugie życie terenom, które dziś często pozostają przemysłowymi nieużytkami.

Mniej węgla kopalnego w produkcji stali

Drugi projekt, BIO4EAF, dotyczy zupełnie innej gałęzi przemysłu - hutnictwa, a konkretnie elektrycznych pieców łukowych stosowanych do produkcji stali ze złomu. Choć ta metoda jest bardziej ekologiczna niż wytwarzanie stali z rudy żelaza, wciąż wymaga nośników węgla pochodzących głównie ze źródeł kopalnych.

Zespół pod kierunkiem dr. inż. Pawła Sokołowskiego z Wydziału Mechanicznego PWr sprawdzi, czy część tych nośników da się zastąpić materiałami powstałymi z odpadów tekstylnych oraz biomasy rolniczej i drzewnej. To rozwiązanie odpowiadające jednocześnie na dwa problemy: nadmiar odpadów i wysoką emisyjność hutnictwa.

W ramach projektu przeprowadzone zostaną eksperymenty, analizy numeryczne oraz próby technologiczne sprawdzające zachowanie nowych materiałów w wysokiej temperaturze i ich wpływ na cały proces produkcyjny. Zakładany poziom gotowości technologicznej to TRL 7/8 - a więc testy w warunkach zbliżonych do przemysłowych.

Według szacunków twórców projektu, zastosowanie biododatków zamiast tradycyjnego węgla może obniżyć emisję CO2 nawet o kilkadziesiąt kilogramów na tonę wyprodukowanej stali. W konsorcjum BIO4EAF uczestniczy 13 partnerów z sześciu krajów Europy, w tym hutniczy gigant ArcelorMittal. Całkowita wartość projektu to ponad 10,7 mln euro, a udział wrocławskiej uczelni wyniesie ponad 719 tys. euro.

Wrocław na mapie europejskich innowacji energetycznych

MINE2PHS i BIO4EAF to niejedyne inicjatywy związane z OZE prowadzone przez Politechnikę Wrocławską. Uczelnia realizuje również projekt GEOTERM-DTS-2000, dotyczący światłowodowego monitoringu głębokich odwiertów geotermalnych, oraz bada możliwości budowy hybrydowych systemów energetycznych łączących energię wodną, wiatrową i słoneczną z magazynowaniem energii.

Wśród innych prowadzonych przedsięwzięć znajdują się:

• projekt wykorzystania odpadów żywności do produkcji biogazu
• koncepcja zagospodarowania ciepła odpadowego z superkomputerów i serwerów do ogrzewania budynków miejskich, realizowana we współpracy z Kogeneracją z Grupy PGE
• prace nad technologiami niskoemisyjnymi dla przemysłu ciężkiego, w tym nad produkcją zielonej stali i nowoczesną infrastrukturą kolejową

Skala i różnorodność tych projektów pokazuje, że polskie ośrodki naukowe coraz aktywniej włączają się w globalny wyścig o technologie przyszłości - łącząc innowacyjność z praktycznym podejściem do wykorzystania istniejącej infrastruktury przemysłowej, w tym terenów, które przez lata uchodziły za bezużyteczne pozostałości po górnictwie.