Kopalnie mogą dostać drugie życie. Pod ziemią zmieszczą energię dla tysięcy domów

Zamknięte kopalnie mogą realnie stać się wielkoskalowymi magazynami energii. Jednak nie każdy obiekt nadaje się do takiej adaptacji. Dzisiaj największym wyzwaniem nie jest sama technologia, lecz opłacalność inwestycji oraz brak jasnych przepisów pozwalających na takie przekształcenie zanim kopalnia zostanie zniszczona. Dowiedz się, o czym jeszcze opowiedział prof. Marcin Lutyński z Politechniki Śląskiej.

---

Panie Profesorze, w jaki sposób zamknięta kopalnia może w ogóle stać się magazynem energii? Co właściwie miałoby tam magazynować energię, woda, sprężone powietrze, ciepło, a może jeszcze coś innego?

Przede wszystkim powiedziałbym, że nie istnieje jedna technologia magazynowania energii w kopalni. Kopalnia daje nam pewną bardzo specyficzną i kosztowną infrastrukturę: głębokie szyby, wyrobiska podziemne, obiekty powierzchniowe, systemy odwadniania, wentylację czy przyłącza energetyczne. I dopiero zastanawiamy się, jak tę infrastrukturę najlepiej wykorzystać.

Najbardziej oczywistym przykładem jest elektrownia szczytowo-pompowa, w której różnica wysokości pomiędzy powierzchnią a wyrobiskami podziemnymi służy do magazynowania energii potencjalnej wody. Inną możliwością jest wykorzystanie szybu jako zbiornika sprężonego powietrza, czyli system CAES Ccompressed Air Energy Storage), lub sprężonego dwutlenku węgla – CCES (Compressed Carbon Dioxide Energy Storage) . W obu tych przypadkach podczas sprężania powstaje także znaczna ilość ciepła, które można magazynować w magazynie termicznym TES i następnie wykorzystać podczas rozprężania gazu.

Są również koncepcje magazynów grawitacyjnych, w których w szybie przemieszczane są duże masy, oraz magazynowania samego ciepła w górotworze lub wyrobiskach. Rozwijamy także koncepcje związane z magazynowaniem wodoru czy LNG. Możliwości jest więc dużo. Kluczowe pytanie brzmi nie tyle czy kopalnia może magazynować energię ale jaka technologia najlepiej pasuje do konkretnej kopalni.

Które elementy dawnej kopalni są z punktu widzenia energetyki wartościowe, szyby, wyrobiska, infrastruktura powierzchniowa czy przyłącza do sieci?

W naszych badaniach szczególną uwagę zwracamy na szyby. Jest ku temu kilka powodów. Szyb jest konstrukcją projektowaną z założenia na wieloletnią eksploatację, często przez kilkadziesiąt lat. Ma dużą głębokość, stosunkowo dużą średnicę i regularną geometrię. Co bardzo istotne, szyby były najczęściej chronione filarami ochronnymi, dlatego otaczający je górotwór jest zwykle w mniejszym stopniu naruszony eksploatacją niż w rejonie wyrobisk eksploatacyjnych.

Oczywiście ogromną wartość ma także to, co znajduje się na powierzchni: teren przemysłowy, drogi, przyłącza energetyczne, stacje transformatorowe, infrastruktura odwadniania czy istniejące budynki. Czasami równie wartościowe są wyrobiska przyszybowe lub komorowe. Natomiast szyb jest dla mnie szczególnie interesujący, ponieważ jest gotową, głęboką konstrukcją, której wykonanie od podstaw byłoby niezwykle kosztowne.

Jakie technologie magazynowania energii najlepiej pasują do infrastruktury pogórniczej? Czy mówimy przede wszystkim o podziemnych elektrowniach szczytowo-pompowych, magazynach sprężonego powietrza, magazynowaniu ciepła, czy o kilku rozwiązaniach, które mogą funkcjonować równolegle?

Właśnie temu zagadnieniu poświęcony był projekt HESS – Hybrid Energy Storage System using post-mining infrastructure, finansowany w ramach Funduszu Badawczego Węgla i Stali koordynowany przez Instytut Technologii Paliw i Energii, w którym Politechnika Śląska była partnerem jako interdyscyplinarny zespół składający się z badawczy związanych z górnictwem i geoinżynierią, jak i pokaźnym zespołem energetyków. Ideą nie było wskazanie jednej najlepszej technologii, ale sprawdzenie, czy kilka technologii może działać wspólnie i uzupełniać się.

Analizowaliśmy elektrownię szczytowo-pompową PSH, magazyn sprężonego powietrza A-CAES albo alternatywnie magazyn sprężonego CO₂ – CCES – oraz magazyn ciepła TES. Nad całością miał pracować tzw. energy router, czyli system zarządzający przepływami energii i decydujący, który magazyn w danej chwili ładować lub rozładowywać.

To jest moim zdaniem bardzo interesujący kierunek. Jedna technologia może być lepsza do szybkiego bilansowania systemu, druga do przechowywania większej ilości energii przez kilka godzin, a jeszcze inna do zagospodarowania energii cieplnej. Z punktu widzenia transformacji terenów pogórniczych bardziej interesujący może być więc cały lokalny hub energetyczny niż pojedynczy magazyn.

Czy każda zamykana kopalnia ma taki potencjał, czy tylko wybrane obiekty?

Zdecydowanie nie każda. Każdy obiekt trzeba analizować indywidualnie. W projekcie HESS opracowaliśmy narzędzia do wstępnej, wielokryterialnej oceny szybów. Braliśmy pod uwagę między innymi głębokość szybu, jego konfigurację, dostępność miejsca na powierzchni, stan infrastruktury, warunki wodne czy zagrożenie metanowe.

Generalna zasada jest dość intuicyjna: im głębszy szyb i im większa jego średnica, tym większy potencjał energetyczny. W przypadku sprężonych gazów większy szyb oznacza większą objętość zbiornika, a w przypadku elektrowni szczytowo-pompowej duża głębokość oznacza większą wysokość spadu.

Ale sama geometria to zdecydowanie za mało. Możemy mieć szyb o doskonałych wymiarach, który ze względu na stan obudowy, warunki geomechaniczne albo połączenia z innymi wyrobiskami okaże się bardzo trudny lub zbyt kosztowny do adaptacji.

Jakie cechy geologiczne i techniczne przesądzają o tym, że dana kopalnia nadaje się do ponownego wykorzystania energetycznego?

Jednym z najważniejszych elementów jest stan górotworu wokół szybu. Dobrze, jeżeli nie został on istotnie naruszony wcześniejszą eksploatacją, dlatego dużą zaletą są wspomniane wcześniej filary ochronne. Następnie trzeba ocenić stan obudowy szybu, jej wytrzymałość, szczelność, występowanie pustek za obudową czy agresywność chemiczną wód.

W przypadku magazynowania sprężonych gazów dochodzi kwestia szczelności i zachowania konstrukcji przy cyklicznych zmianach ciśnienia. W HESS wykonywaliśmy również analizy geomechaniczne pokazujące, że wykorzystanie szybu jako zbiornika ciśnieniowego jest technicznie możliwe, ale każda lokalizacja wymaga odrębnego modelu i weryfikacji.

Znaczenie ma także funkcja szybu, jego połączenia z poziomami kopalni, możliwość ich odizolowania, stan odwadniania i wentylacji. Czasami szyb peryferyjny czy wentylacyjny może być pod tym względem łatwiejszy do adaptacji niż szyb silnie związany z główną infrastrukturą zakładu.

Na papierze koncepcja wygląda atrakcyjnie. Mamy gotowe szyby, wyrobiska, tereny przemysłowe i często istniejącą infrastrukturę energetyczną. Gdzie jednak kończą się te przewagi, a gdzie zaczynają problemy? Jakie główne wady tego pomysłu Pan Profesor by wskazał?

Największym błędem byłoby założenie, że skoro mamy już szyb, to magazyn energii właściwie jest gotowy. Nie jest. Szyb może być bardzo wartościowym elementem infrastruktury, ale przed ponownym wykorzystaniem wymaga szczegółowej oceny technicznej, a często także kosztownej przebudowy.

W HESS analizowaliśmy między innymi wykonanie potężnych korków i tam ciśnieniowych, uszczelnianie obudowy, powłoki ochronne, system wentylacyjny i odwodnienie. Przy magazynach gazowych szczelność staje się absolutnie kluczowa. Trzeba pamiętać, że mówimy o obiektach, które mają często kilkadziesiąt lat.

Drugim problemem jest ekonomia. Wyniki HESS pokazują dość wyraźnie, że sama możliwość techniczna jeszcze nie tworzy dobrego biznesu. W analizowanych pełnoskalowych wariantach przychody wyłącznie z arbitrażu cen energii nie wystarczały do uzyskania dodatnich wskaźników inwestycyjnych. To pokazuje, że taki magazyn musi prawdopodobnie zarabiać również na usługach systemowych, rynku bilansującym czy zapewnianiu mocy i elastyczności.

I wreszcie trzeci problem, moim zdaniem obecnie jeden z najważniejszych w Polsce, to kwestie legislacyjne i brak jednoznacznej ścieżki przekształcenia obiektu górniczego w obiekt energetyczny.

Czy wykorzystanie istniejących wyrobisk rzeczywiście może być tańsze niż budowa magazynu energii od zera?

Potencjalnie tak, ale tutaj również zachowałbym ostrożność ze słowem tańsze. Z całą pewnością otrzymujemy coś bardzo wartościowego, czego nie musimy budować od początku. Nie trzeba wykonywać kilometrowego szybu, usuwać milionów ton skały czy tworzyć od zera całego terenu przemysłowego. Część rozpoznania geologicznego już istnieje, podobnie jak infrastruktura energetyczna, komunikacyjna czy system odwadniania.

W przypadku CAES bardzo kosztowne jest wykonanie odpowiedniego podziemnego zbiornika lub kawerny. Jeżeli część tej funkcji może przejąć istniejący szyb, potencjalna oszczędność jest oczywista.

Nie oznacza to jednak, że adaptacja będzie tania. Końcowe analizy HESS pokazały, że koszty urządzeń energetycznych, integracji, przyłączenia do sieci oraz dostosowania infrastruktury podziemnej nadal mogą być bardzo wysokie.

Jak duże pojemności magazynowe można realnie uzyskać w kopalni?

Tutaj mogę podać konkretne wyniki z projektu HESS. Jako przypadek referencyjny przyjęliśmy szyby II i III kopalni Budryk. Dla podziemnej elektrowni szczytowo-pompowej w szybie II uzyskaliśmy pojemność około 23 MWh, przy wykorzystaniu około 900 metrów wysokości spadu.

Znacznie większy potencjał otrzymaliśmy dla magazynu sprężonego powietrza w szybie III. Dla analizowanej konfiguracji A-CAES pojemność wyniosła około 108 MWh, a moc ekspandera około 36 MW. W alternatywnym wariancie ze sprężonym CO₂ otrzymaliśmy około 32,5 MWh.

To pokazuje skalę. Nie mówimy o magazynie przydomowym ani nawet typowym magazynie bateryjnym przy instalacji przemysłowej, ale o dziesiątkach, a w sprzyjających warunkach ponad stu megawatogodzin w pojedynczym obiekcie. Jednocześnie analizy pokazały bardzo wyraźnie, że pojemność rośnie wraz z głębokością i objętością szybu, więc nie istnieje jedna uniwersalna wartość dla wszystkich kopalń.

Jeżeli mówimy o magazynie energii dla systemu elektroenergetycznego, to kluczowa jest nie tylko pojemność, ale też moc, sprawność i szybkość reakcji. Jak pod tym względem rozwiązania pogórnicze wypadają na tle baterii litowo-jonowych i klasycznych elektrowni szczytowo-pompowych?

Baterie litowo-jonowe mają niewątpliwą przewagę, jeżeli chodzi o szybkość reakcji i sprawność cyklu. Mogą reagować praktycznie natychmiast, a ich sprawność round-trip jest zazwyczaj wyższa niż w systemach mechanicznych czy termodynamicznych.

Natomiast wraz z wydłużaniem czasu magazynowania zaczynają być widoczne zalety innych technologii. W HESS dla końcowej konfiguracji A-CAES otrzymaliśmy sprawność około 65%, przy mocy ekspandera 36 MW i pojemności 108 MWh. Dla analizowanego PSH była to pojemność około 23 MWh i generator o mocy 5,8 MW. Są to rozwiązania przeznaczone raczej do wielogodzinnego, wielkoskalowego magazynowania niż do bardzo krótkich impulsów mocy.

Nie traktowałbym więc tych technologii jako bezpośredniej konkurencji dla baterii. System energetyczny potrzebuje różnych typów magazynów. Bateria świetnie nadaje się do bardzo szybkiej regulacji, natomiast magazyn w sprężonym gazie może być bardziej interesujący, gdy chcemy przechować dziesiątki lub setki megawatogodzin przez kilka godzin i wykonywać dużą liczbę cykli przez wiele lat. Z resztą magazyny takie istnieją de facto od kilkudziesięciu lat czego świetnym przykładam są elektrownie CAES Huntorf w Niemczech i McIntosh w USA.

Czy infrastruktura magazynowa po kopalniach mogłaby współpracować bezpośrednio z farmami wiatrowymi i fotowoltaicznymi, przejmując nadwyżki produkcji z OZE?

Tak i w zasadzie była to jedna z podstawowych idei projektu HESS. Wraz ze wzrostem udziału fotowoltaiki i energetyki wiatrowej coraz częściej mamy okresy, w których energii w systemie jest bardzo dużo, ceny są niskie, a czasami nawet ujemne. Kilka godzin później sytuacja może być zupełnie odwrotna.

Magazyn może w takich momentach pobierać energię i oddawać ją wtedy, kiedy jest potrzebna. W HESS rolę nadrzędnego systemu sterowania pełnił energy router, który miał zarządzać stanem poszczególnych magazynów i decydować o ładowaniu oraz produkcji energii w zależności od sytuacji w systemie.

Taki magazyn może być bezpośrednio powiązany z dużym źródłem OZE, ale nie musi stać tuż obok niego. Może również funkcjonować jako regionalny magazyn pracujący na rzecz całej sieci. W przypadku Śląska jest to szczególnie interesujące, ponieważ mamy jednocześnie dużą infrastrukturę energetyczną, przemysłową i pogórniczą.

Aspekty technologiczne, ekonomiczne, prawne czy związane z zarządzaniem ryzykiem po stronie inwestora nierzadko hamują start przedsięwzięcia. Co dziś, Pana zdaniem, jest największą przeszkodą dla realizacji projektów magazynów po kopalniach w Polsce?

Moim zdaniem dziś największą barierą nie są wyzwania technologiczne. Wiemy, że z punktu widzenia inżynierskiego wiele z tych rozwiązań można zrealizować. Problemem jest stworzenie jasnej ścieżki od czynnej kopalni do nowego obiektu energetycznego.

Obecny proces likwidacji kopalni jest ukierunkowany przede wszystkim na jej bezpieczne zamknięcie. Szyby są przeznaczane do likwidacji i wypełnienia. Jeżeli chcemy wykorzystać je energetycznie, decyzja o tym powinna zapaść znacznie wcześniej – zanim wartościowa infrastruktura zostanie fizycznie zlikwidowana.

Potrzebujemy więc wytycznych określających, jak taki szyb kwalifikować, kto przejmuje za niego odpowiedzialność, jakie wymagania techniczne powinien spełnić po zmianie funkcji, jak prowadzić monitoring oraz kto odpowiada za obiekt po zakończeniu działalności górniczej. Do tego dochodzą procedury środowiskowe, budowlane, górnicze i energetyczne. Bez przewidywalnej ścieżki administracyjnej inwestor będzie bardzo ostrożny, nawet jeżeli technologia okaże się interesująca.

Czy istnieje ryzyko, że część koncepcji magazynu energii w kopalni jest bardziej atrakcyjna medialne niż inwestycyjnie? Jak odróżnić projekt, który ma rzeczywiście podstawy techniczne i biznesowe od projektu demonstracyjnego, który trudno później skalować?

Takie ryzyko oczywiście istnieje. Samo stwierdzenie, że pod ziemią znajduje się duża pusta przestrzeń, nie oznacza jeszcze, że mamy dobry magazyn energii.

Poważny projekt powinien mieć szczegółowo rozpoznany konkretny obiekt, model geomechaniczny, analizę hydrogeologiczną, ocenę obudowy i szczelności, określoną pojemność, moc i sprawność oraz rozwiązane zagadnienia związane z bezpieczeństwem jego funkcjonowania. Następnie potrzebny jest realistyczny CAPEX, OPEX i przede wszystkim model przychodów.

HESS dobrze pokazuje, dlaczego jest to ważne. Technicznie uzyskaliśmy bardzo interesujące parametry, ale analiza ekonomiczna pełnego systemu pokazała, że przy przychodach bazujących przede wszystkim na arbitrażu cenowym inwestycja nie osiągała dodatnich wskaźników ekonomicznych. To bardzo ważny rezultat. Oznacza, że musimy jeszcze lepiej optymalizować skalę instalacji i uwzględniać inne źródła przychodów.

Dochodzi również bezpieczeństwo energetyczne. W obecnej sytuacji geopolitycznej wartość magazynu nie zawsze daje się sprowadzić wyłącznie do prostego okresu zwrotu. Dobrze zlokalizowany magazyn może świadczyć usługi systemowe, wspierać lokalną sieć czy zwiększać odporność infrastruktury krytycznej. Ale tego również nie należy przyjmować jako hasła – trzeba to policzyć.

Czy są dziś na Śląsku konkretne kopalnie, które Pana zdaniem szczególnie dobrze nadawałyby się do takiej konwersji?

W projekcie HESS bardzo dobrze wypadała kopalnia Budryk i dlatego właśnie stała się naszym obiektem referencyjnym. W końcowych analizach wykorzystaliśmy dwa sąsiadujące szyby: szyb II dla systemu szczytowo-pompowego oraz szyb III dla magazynowania sprężonego gazu.

Szyb II ma ponad 1150 metrów głębokości, natomiast szyb III około 1090 metrów, przy średnicy 9 metrów. To są bardzo dobre parametry z punktu widzenia naszych technologii. Dodatkową zaletą jest istniejąca infrastruktura kopalni, lokalizacja blisko linii elektroenergetycznych.

Istotne jest również to, że celowo analizowaliśmy przede wszystkim kopalnie nadal czynne, ale takie, które w przyszłości będą podlegały transformacji. Wtedy można odpowiednio wcześnie zaplanować sposób likwidacji i zachować te elementy infrastruktury, które będą potrzebne do nowej funkcji. Adaptacja szybu po jego likwidacji nie będzie miała sensu zarówno technicznego, jak i ekonomicznego.

Czy projekty pozwalające dawnym aktywom górniczym na pozostanie w systemie już po zakończeniu wydobycia mogą realnie stworzyć nowe miejsca pracy? Czy jednak ich skala byłaby zbyt mała, aby miały istotne znaczenie gospodarcze dla regionu?

Nie powinniśmy oczekiwać, że magazyn energii zatrudni kilka tysięcy osób tak jak duża czynna kopalnia. To zupełnie inny rodzaj działalności.

Natomiast na etapie przygotowania i budowy skala prac może być duża. Potrzebni są specjaliści od robót górniczych, geotechniki, konstrukcji betonowych, maszyn energetycznych, automatyki, elektryki i wentylacji. Co ważne, wiele z tych kompetencji już istnieje na Śląsku.

Później pozostają również miejsca pracy związane z eksploatacją, utrzymaniem ruchu, monitoringiem i zarządzaniem systemem. Jeszcze ważniejsze może być jednak utrzymanie całego regionalnego łańcucha kompetencji i firm, które obecnie pracują dla górnictwa, a w przyszłości mogą realizować projekty energetyczne. Nie zastąpi to górnictwa jeden do jednego, ale może być jednym z elementów transformacji gospodarczej regionu.

Gdyby mógł Pan Profesor wskazać jeden najbardziej realistyczny scenariusz dla Polski na najbliższe 10, 15 lat, to jak powinien wyglądać pierwszy duży projekt magazynowania energii w zamkniętej kopalni? Jaka technologia powinna być wykorzystana, jaka byłaby skala projektu i kto powinien być jego inwestorem?

Ja zacząłbym od demonstratora w skali technicznej, a nie od próby natychmiastowej budowy całego systemu hybrydowego w docelowej skali. Wyniki HESS pokazują, że technicznie możemy myśleć o bardzo dużych instalacjach, ale ich koszty inwestycyjne są również bardzo duże.

Najbardziej racjonalnym pierwszym etapem byłaby moim zdaniem podziemna elektrownia szczytowo-pompowa wykorzystująca jeden dobrze rozpoznany szyb. Skala zbliżona do naszego przypadku referencyjnego, czyli około 5–6 MW mocy i 20–25 MWh pojemności, byłaby już pełnowartościowym magazynem, a jednocześnie pozwoliłaby zweryfikować w warunkach przemysłowych wszystkie najważniejsze problemy: adaptację szybu, pracę systemu wodnego, automatykę, współpracę z siecią, bezpieczeństwo oraz rzeczywiste koszty eksploatacji.

W kolejnym etapie można byłoby wykorzystać sąsiedni szyb do budowy A-CAES lub CCES wraz z magazynem ciepła i dojść do systemu o pojemności przekraczającej 100 MWh. W ten sposób powstałby rzeczywisty hybrydowy magazyn energii podobny do koncepcji HESS, ale rozwijany etapami, a nie budowany od razu w najbardziej złożonej konfiguracji.

Inwestorem nie powinna być oczywiście uczelnia ani instytut badawczy. Powinno to być konsorcjum właściciela infrastruktury górniczej i dużej spółki energetycznej, przy udziale operatora systemu lub rynku usług systemowych oraz ze wsparciem finansowania publicznego i europejskiego. Pierwszy taki obiekt będzie miał charakter demonstracyjno-przemysłowy i właśnie dlatego udział państwa lub środków europejskich wydaje mi się uzasadniony. Jeżeli pokażemy na jednym obiekcie, że system jest technicznie bezpieczny, można nim sterować i ma rozsądny model przychodów, wtedy kolejne instalacje będą mogły powstawać już na znacznie bardziej komercyjnych zasadach.

---

Michał Krajniak

Dziennikarz analityczny, który patrzy na energetykę przez pryzmat polityki i gospodarki. Opisuje wyzwania sektora oraz przygląda się postępującym trendom rynkowym.