Podziemne magazyny gazu

Magazynowanie gazu ziemnego to zagadnienie podstawowe w branży gazowniczej i nierozerwalnie związane z użytkowaniem gazu jako nośnika energii. Magazyny gazu umożliwiają prawidłowe funkcjonowanie systemu gazowniczego oraz optymalizację sterowania pracą tego systemu. Konieczność magazynowania gazu wynika z losowego i sezonowego charakteru zużycia tego paliwa. Gaz ziemny jako nośnik energii zużywany jest w cyklach sezonowych, tj. w sezonie zimowym (tzw. szczyt poboru gazu) i sezonie letnim (tzw. dolina poboru gazu), co wynika przede wszystkim z wykorzystania gazu do celów grzewczych i to zarówno przez odbiorców domowych, jak i dużych przemysłowych ciepłowni i elektrociepłowni. Wahania zużycia gazu między latem a zimą powodują, że system gazowniczy wysokiego ciśnienia powinien posiadać instrumenty zdolne do jego równoważenia. 

Podziemne magazyny gazu (w skrócie PMG) powstały wraz z upowszechnieniem użytkowania gazu ziemnego. Pierwsze próbne magazynowanie gazu w wyeksploatowanym złożu gazu w rejonie Ontario w Kanadzie przeprowadzono w 1915 r. Kolejne magazyny powstawały również w USA – w stanie Kentucky i Nowy Jork. Warto jednak w tym miejscu zauważyć, że pierwsze próby podziemnego magazynowania gazu w Europie podjęto w Polsce w 1954 r. na wyeksploatowanym złożu Roztoki w okolicach Jasła. Magazyn ten dysponował pojemnością roboczą na poziomie 60 mln³ i pracował przez 25 lat. Doświadczenia zebrane przy tej okazji spowodowały, że zaczęto rozwijać technologię budowy i eksploatacji magazynów w Polsce, co umożliwiło dalszy rozwój tego sektora gazownictwa.

Nierównomierność zużycia gazu ziemnego

Rzeczywisty przebieg dostaw i odbioru gazu w największym systemie wysokiego ciśnienia gazu wysokometanowego w Polsce przedstawiono na rys. 1. Kolorem zielonym zaznaczono dostawy gazu z importu, złóż krajowych (zlokalizowanych w rejonie Podkarpacia oraz instalacji odazotowania gazu krajowego – wydobywanego w rejonie zachodniej Polski gazu zaazotowanego). Kolorem czerwonym zaznaczono rzeczywisty przebieg zmienności zużycia gazu wysokometanowego u odbiorców końcowych. Dla zobrazowania zależności zużycia gazu od temperatury zewnętrznej przedstawiono linią niebieską jej przebieg w roku kalendarzowym (rys. 1).

Rys. 1 Zależności zużycia gazu od temperatury zewnętrznej (źródło: BSiPG Gazoprojekt SA)

Wpływ na zmienność poboru gazu z podstawowego systemu przesyłowego wysokiego ciśnienia ma przede wszystkim sposób jego wykorzystania przez odbiorcę. Odbiorcy gazu zasilani są z systemu przesyłowego wysokiego ciśnienia przez stacje gazowe, które są punktem wyjścia do odbiorców bezpośrednich korzystających z wysokiego ciśnienia gazu oraz odbiorców podłączonych do sieci dystrybucyjnych niższych ciśnień spółek gazowniczych. Istnieje kilka głównych kategorii odbiorców gazu charakteryzujących się specyficznym profilem odbioru gazu:

– odbiorcy komunalno-bytowi wykorzystujący gaz do celów przygotowania posiłków, grzania ciepłej wody oraz ogrzewania pomieszczeń;

– handel, usługi, drobny przemysł;

– duży przemysł – huty, zakłady chemiczne, petrochemie, przetwórnie rolno-spożywcze, przemysł maszynowy itp.;

– odbiorcy energetyczni – kotłownie, ciepłownie, elektrownie, elektrociepłownie.

Konieczność bilansowania sezonowej nierównomierności poboru gazu z systemu gazowniczego jest jedną z podstawowych przyczyn budowy podziemnych magazynów gazu.

Zasada pracy magazynu gazu ziemnego współpracującego z systemem gazowniczym została przedstawiona na rys. 2.

Rys. 2 Zasady pracy magazynu gazu ziemnego. Krzywe (czerwona – zapotrzebowanie odbiorców na moc, oraz zielona – moce dyspozycyjnych źródeł) o zmiennej charakterystyce w danym czasie t tworzą dwie strefy, tj. t₁ – strefę deficytu mocy, i t₂ – strefę nadmiaru mocy. Strefy te pokrywane powinny być zależnie od długości trwania cyklu t oraz wielkości wymaganych mocy q₃ max i q₁ max  za pomocą PMG (źródło: BSiPG Gazoprojekt SA)

Podziemne magazyny gazu ziemnego stały się istotnym elementem łańcucha dostaw gazu ziemnego, w którym pierwotnie pracowały jedynie w celu zrównoważenia podaży i popytu na gaz, optymalizacji wielkości sieci przesyłowych oraz zapewnienia bezpieczeństwa dostaw. Wraz z rozwojem i liberalizacją rynków magazynowanie zyskało dodatkowo funkcję handlową, jako narzędzie wspierające obrót gazem. Zmienność poboru gazu może być równoważona przez zmianę ilości wydobywanego gazu ze złóż, jednak prowadzenie w ten sposób ich eksploatacji  jest nieefektywne ekonomicznie. Kapitał zainwestowany z zagospodarowanie złoża powinien się maksymalnie szybko zwrócić. Jednocześnie główne systemy magistralne transportujące gaz z bardzo odległych miejsc (np. ze źródeł rosyjskich na Dalekim Wschodzie czy też z Morza Północnego) są niezmiernie kosztowne i są projektowane na równomierne obciążenie w ciągu całego roku. Mając powyższe na uwadze, zaproponowano magazynowanie nadwyżek gazu w okresie letnim w celu jego oddania do systemu gazowniczego w okresie zimowym w bliskiej odległości od odbiorców gazu.

Obecnie PMG pełnią zdecydowanie więcej funkcji, z których najważniejsze to: 

– Bilansowanie sezonowej nierównomierności poboru gazu.

– Umożliwienie maksymalizacji wydobycia gazu ze złóż krajowych.

– Umożliwienie realizowania kontraktów na import gazu o zbliżonej do stałej wartości w poszczególnych miesiącach i kwartałach roku.

– Umożliwienie optymalizacji wahań ceny gazu na rynkach.

– Dyspozytorskie działania operatora systemu przesyłowego w sytuacjach bilansowania dobowego oraz innych sytuacji krytycznych.

– Utrzymywanie niezbędnych zapasów strategicznych możliwych do uruchamiania w sytuacjach braku dostaw gazu z importu,  klęsk żywiołowych  i innych nieprzewidywalnych zdarzeń.

– Umożliwienie płynnego działania giełd gazowych, hubów z nowymi usługami handlowymi, takimi jak: tzw. parkowanie lub pożyczanie gazu.

Rodzaje PMG

Realizacja przedstawionych różnych funkcji PMG wymaga dostosowania ich parametrów technicznych do aktualnych wymagań. Podstawowe parametry techniczne podziemnych magazynów gazu:

– pojemność czynna magazynu – handlowa pojemność magazynu udostępniana rynkowi przez operatora systemu magazynowania gazu;

– pojemność buforowa – techniczna pojemność magazynu, niezbędna do prawidłowego jego działania w postaci  tzw. poduszki gazowej; umożliwia uzyskanie odpowiedniego ciśnienia magazynowanego gazu, a także składu magazynowanego gazu (w przypadku gdy pierwotny gaz wyeksploatowanego złoża posiadał inny skład);

– moc napełniania magazynu – maksymalny godzinowy strumień gazu możliwy do wtłaczania do górotworu;

– moc odbioru gazu z magazynu – maksymalny godzinowy strumień gazu możliwy do odbierania z magazynu;

– zakres ciśnień pracy – zakres ciśnień roboczych wynikający z budowy geologicznej magazynu.

Parametry te zależne są przede wszystkim od typu magazynu. Każdy typ podziemnego składowania ma swoje własne cechy fizyczne (pojemności czynne magazynowania, moce napełniania i odbioru, poziomy ciśnień pracy), które regulują jego przydatności do określonych zastosowań. Dwie z najważniejszych cech PMG to pojemność czynna przechowywanego gazu ziemnego do wykorzystania w przyszłości oraz tempo, w którym te zapasy mogą być pobierane z magazynu.

Do realizacji budowy podziemnego magazynu gazu wykorzystywane mogą być następujące formacje geologiczne:

– wyeksploatowane złoża gazowe lub ropno-gazowe,

– pokłady soli kamiennej,

– warstwy wodonośne,

– nieczynne kopalnie węgla kamiennego.

Rys. 3 Kawerna solna i wyeksploatowane złoże gazu (źródło: BSiPG Gazoprojekt SA)

Najważniejsze elementy PMG

CZĘŚĆ PODZIEMNA – ZBIORNIKOWA

– Wyeksploatowane złoże gazowe – kolektor magazynowy/wypłukane kawerny solne.

– Nadkład i spąg uszczelniający, warstwy zapewniające szczelność warstwy zbiornikowej, filary ochronne.

ODWIERTY

– Eksploatacyjne – do zatłaczania i odbioru gazu z magazynu oraz do monitorowania pracy magazynu (pionowe i poziome).

– Obserwacyjne – odwiercone w formacji magazynującej oraz formacji skały ekranującej.

– Pomocnicze – do zatłaczania wody złożowej.

CZĘŚĆ NAPOWIERZCHNIOWA (URZĄDZENIA POWIERZCHNIOWE)

– Gazociągi złożowe.

– Urządzenia do napełniania magazynu.

– Urządzenia do odbioru gazu z magazynu.

– Urządzenia pomocnicze.

Wyeksploatowane złoża gazowe lub ropno-gazowe

Historycznie najbardziej popularny sposób magazynowania gazu ziemnego polega na wykorzystaniu wyeksploatowanego, podziemnego złoża gazu ziemnego lub ropno-gazowego na potrzeby zbiornika. W tym przypadku istnieje możliwość wykorzystania infrastruktury napowierzchniowej oraz wykonanych odwiertów eksploatacyjnych złoża na potrzeby magazynu. Niepodważalnym atutem budowy magazynu w miejscu wyeksploatowanego złoża jest fakt, iż posiada on sprawdzoną w warunkach eksploatacji, szczelną strukturę geologiczną przechowującą gaz i ropę przez miliony lat. Ma równocześnie przyłącze do systemu gazowniczego. Magazyny w wyeksploatowanych złożach charakteryzują się dużą pojemnością czynną przy stosunkowo niewielkich mocach napełniana i odbioru gazu. Wymagają jednak utrzymywania tzw. pojemności buforowej utworzonej z gazu rodzimego lub zatłoczonego, który stanowi dość znaczny koszt magazynu.

Rys. 4 Lokalizacja PMG na terenie Polski (źródło: BSiPG Gazoprojekt SA)

Kawerny w pokładach soli

Pokłady soli kamiennej zlokalizowane w formacjach geologicznych na głębokościach 800–1600 m mogą stanowić, po wypłukaniu odpowiednich jam zwanych kawernami, doskonałe miejsce lokalizacji podziemnego magazynu gazu. Zbudowany w kawernach solnych magazyn zapewnia bardzo dobrą szczelność i charakteryzuje się wysokimi mocami napełniania i odbioru gazu przy stosunkowo niewielkiej pojemności roboczej. Związane jest to z zasadniczą dla magazynowania gazu cechą soli kamiennej: pod wpływem ciśnienia staje się ona plastyczna i bardzo szczelna. Zapotrzebowanie magazynu na pojemności buforowe jest także zdecydowanie mniejsze niż w magazynach w wyeksploatowanych złożach. Zwykle podziemny magazyn gazu składa się z kilku lub kilkunastu kawern zlokalizowanych niedaleko od siebie, połączonych w jeden system. Magazyn ten charakteryzuje się możliwością wykonywania kilku cykli napełniania i odbioru gazu w ciągu jednego roku. Szybkie zmiany cyklu napełniania i odbioru gazu umożliwiają lepszą współpracę z system gazowniczym i reakcję na zmieniające się potrzeby rynku oraz sytuacje nadzwyczajne, np. wstrzymanie dostaw gazu z importu, awarie.

Warstwy wodonośne

Kolejną formacją geologiczną, w której istnieje możliwość zbudowania  podziemnych magazynów gazu, są struktury zawodnione. Przydatność takiej struktury musi zostać poprzedzona przez szczegółowymi badaniami geologicznymi i geofizycznymi stwierdzającymi przede wszystkim, czy warstwa, do której będzie się wtłaczać gaz, jest zbudowana ze skał o dużej porowatości (piasku, piaskowca) oraz  czy nad warstwą porowatą znajduje się nieprzepuszczalny nadkład, zapobiegający ucieczkom magazynowanego gazu. Dzięki niskiej gęstości sprężony gaz gromadzi się w górnej części struktury,  wypełnia wszystkie przestrzenie i przesuwa wodę do niższych i bardziej odległych obszarów struktury wodonośnej. Ze względu na opisane warunki magazyn wymaga utworzenia większej poduszki gazowej oraz bardziej precyzyjnego monitoringu procesu magazynowania gazu. Podobnie jak magazynowanie gazu w kawernach solnych także warstwy wodonośne charakteryzują się możliwością uzyskania dużych mocy odbioru gazu przy stosunkowo dużej pojemności czynnej. Ze względu na wyższe ciśnienie panujące w magazynie wymagana jest zabudowa większych mocy sprężarek napełniających zbiornik, a ze względu na  obecność wody niezbędna jest zabudowa bardziej wydajnych instalacji osuszających gaz w fazie jego odbioru.

Rys. 5 Przykładowa budowa PMG w złożach ropno-gazowych (źródło:  www.osm.pgnig.pl)

Opuszczone kopalnie 

Znane są na świecie, a także w Europie przykłady wykorzystania nieużytkowanych kopalń węgla kamiennego oraz innych wyrobisk górniczych (pustek skalnych) do magazynowania gazu ziemnego. Są to jednak jednostkowe przykłady, co wynika z dużych trudności z zachowaniem odpowiedniej szczelności i pojemności magazynu. Próby realizacji takiego magazynu prowadzone były także w Polsce w kopalni węgla kamiennego Nowa Ruda, nie zostały jednak uwieńczone sukcesem.

Przykłady wybudowanych PMG w Polsce

Operator Systemu Magazynowania Sp. z o.o. zarządza na terenie Polski siedmioma podziemnymi magazynami gazu wysokometanowego (E) zaprezentowanymi na rys. 4 i w tablicy:

– w wyeksploatowanych złożach gazu: PMG Wierzchowice, Husów, Strachocina, Swarzów, Brzeźnica;

– w kawernach solnych: KPMG Mogilno i Kosakowo.

Rys. 6 Przykładowa budowa PMG w kawernach solnych (źródło:  www.osm.pgnig.pl)

Dodatkowo PGNiG SA posiada jeszcze dwa PMG współpracujące z podsystemami gazu zaazotowanego (L), wydobywanego w kraju, tj. PMG Daszewo i Bonikowo – rys. 4.

Podziemne magazyny gazu  budowane w wyeksploatowanych złożach ropno-gazowych czy też w pokładach soli mają bardzo podobne główne elementy technologiczne. Oczywiście każdy magazyn gazu posiada swoje indywidualne rozwiązania związane z lokalizacją, zastosowanymi urządzeniami oraz ich parametrami wpływającymi na parametry eksploatacyjne.

Zależnie od potrzeb PMG może wykonywać dwie fazy pracy, tj. napełniania i  odbioru gazu. Na rys. 7 przedstawiono schemat pracy magazynu w poszczególnych fazach. 

Faza napełniania charakteryzuje się przede wszystkim potrzebą uzyskania odpowiednio wysokiego ciśnienia gazu dla napełnienia magazynu. Gaz w tej fazie jest więc sprężany w zainstalowanej tłoczni gazu do wymaganego ciśnienia, które zależnie od budowy geologicznej i stopnia napełnienia magazynu może nawet przekraczać 20 MPa. W PMG zlokalizowanym na wyeksploatowanym złożu gaz przesyłany jest do odwiertów lub ośrodków grupowych i tam wtłaczany do warstw magazynowych złoża. W PMG zbudowanych w kawernach solnych gaz sprężany przesyłany jest do stacji rozdziału gazu i odwiertami pionowymi do podziemnych komór magazynowych (kawern solnych). 

Faza odbioru gazu z magazynu charakteryzuje się przede wszystkim koniecznością osuszenia gazu z wody będącej naturalnym elementem złoża gazu, a także wypłukanej kawerny solnej. Po usunięciu wilgoci gaz kierowany jest do stacji redukcyjnej mającej za zadanie obniżenie ciśnienia gazu do wartości wymaganej przez system gazowniczy. Po pomiarze rozliczeniowym gaz kierowany jest do systemu gazowniczego.

Rys. 7 Schemat pracy PMG (źródło: BSiPG Gazoprojekt SA)

Podsumowanie

Bezpieczeństwo energetyczne kraju ściśle związane jest z utrzymaniem stałych dostaw gazu do odbiorców. Obecnie Polska zużywa około 16,2 mld m³/rok (dane za 2013 rok) i z tego 11,8 mld m³pochodzi z importu, a 4,5 mld m³z wydobycia krajowego. Równocześnie ok. 77% całkowitego importu pochodzi od jednego dostawcy tj. OOO Gazprom Eksport. Taki schemat importu gazu sprawia, że posiadanie odpowiednich pojemności magazynowych w kraju obok dywersyfikacji kierunków importu jest jednym z ważniejszych zadań stojących przed branżą gazowniczą. Obecnie dostępne krajowe pojemności magazynowe na poziomie 2,52 mld m³zapewnić mogą przy pełnym napełnieniu ok. 57 doby średniego zużycia gazu, natomiast ich wydajność odbioru na poziomie 42,9 mln m³/dobę jest w stanie pokryć około 60% szczytowego (zimowego) krajowego zapotrzebowania na gaz sięgającego ponad 72 mln m³/dobę. W celu zwiększenia pojemności i mocy magazynowych PGNiG S.A. realizuje w chwili obecnej kilka inwestycji w tym:

– rozbudowa PMG Husów do pojemności roboczej 500 mln m³,

– rozbudowa KPMG Mogilno do pojemności ok. 800 mln m³,

– budowa KPMG Kosakowo o pojemności 100 mln m³ z  dalsz¹ rozbudow¹ do 250 mln m³.

mgr inż. Andrzej Kiełbik

Gazoprojekt SA

dr hab. inż. Paweł Malinowski

Politechnika Wrocławska

Literatura

1. M. Kaliski, P. Janusz, A. Szurlej, Podziemne magazyny gazu jako element krajowego systemu gazowego, NAFTA-GAZ, maj 2010.

2. Podziemne magazyny gazu istotnym elementem gwarantującym bezpieczeństwo energetyczne Polski, prezentacja PGNiG, marzec 2011. http://www.pois.gov.pl/Wiadomosci/Documents/6_PGNIG.pdf

3. www.osm.pgnig.pl

4. www.gazoprojekt.pl