FORUM CZYSTEJ ENERGII 8 Października 2013, POZNAŃ Zasoby wodne potrzebne do procesu szczelinowania hydraulicznego Prof. dr hab. Marek Nawalany, dr inż.

Prezentacja na temat: "FORUM CZYSTEJ ENERGII 8 Października 2013, POZNAŃ Zasoby wodne potrzebne do procesu szczelinowania hydraulicznego Prof. dr hab. Marek Nawalany, dr inż."— Zapis prezentacji:

1 FORUM CZYSTEJ ENERGII 8 Października 2013, POZNAŃ Zasoby wodne potrzebne do procesu szczelinowania hydraulicznego Prof. dr hab. Marek Nawalany, dr inż. Dorota Pusłowska, dr inż. Sylwester Tyszewski – Politechnika Warszawska dr inż. Jan Macuda - Akademia Górniczo - Hutnicza

2 AGENDA godzina tytuł referatu referent 11.00 Wprowadzenie - powitanie
Urszula Wojciechowska, redaktor naczelna miesięcznika „Czysta Energia” Monitoring i Aspekty Technologiczne w kontekście poszukiwania i wydobycia gazu z łupków Prof. dr hab. Jan Hupka, dr inż. Andrzej Tyszecki - Politechnika Gdańska, Centrum Technologii Ropy i Gazu CTRiG, WIT 11.30– 11.50 Zasoby wodne potrzebne do procesu szczelinowania hydraulicznego Prof. dr hab. Marek Nawalany – Politechnika Warszawska, dr inż. Jan Macuda - Akademia Górniczo - Hutnicza 11.50– 12.10 Dodatki stosowane w trakcie procesu szczelinowania hydraulicznego Dr inż. Anna Zielińska-Jurek, Politechnika Gdańska, prof. dr hab. Teresa Steliga, Instytut Nafty i Gazu Oczyszczanie wód technikami membranowymi Dr inż. Sylwia Mozia, Zachodniopomorski Uniwersytet Techniczny Oczyszczanie ścieków z procesu szczelinowania hydraulicznego Dr inż. Jan Macuda, Akademia Górniczo Hutnicza, prof. dr hab. Jan Hupka, Politechnika Gdańska Zagospodarowanie odpadów z procesu badania i wydobycia gazu z łupków prof. dr hab. Teresa Steliga, Instytut Nafty i Gazu, dr inż. Piotr Manczarski – Politechnika Warszawska , POZNAŃ FORUM CZYSTEJ ENERGII

3 AGENDA godzina tytuł referatu referent 13.10-13.30
Promieniotwórczość naturalna złóż ropy i gazu. Mgr inż. Anna Mykowska – Politechnika Gdańska Dwa lata po pierwszym szczelinowaniu w Polsce – kontynuacja badań środowiskowych Dr Monika Konieczyńska, Dr Małgorzata Woźnicka, Państwowy Instytut Geologiczny - Państwowy Instytut Badawczy Zintegrowany system monitoringu środowiska w trakcie wydobycia gazu z łupków Dr inż. Jarosław Arabas, prof. dr hab. Jarosław Mizera, Politechnika Warszawska Środowiskowe aspekty poszukiwania i eksploatacji węglowodorów niekonwencjonalnych Mgr inż. Hanna Dzikowska – Regionalna Dyrekcja Ochrony Środowiska w Gdańsku Panel Dyskusyjny - Czy Aspekty Środowiskowe zadecydują o rozwoju wydobycia gazu z łupków w Polsce ? Dyr. Jacek Wróblewski, BNK Polska, Dyr. Hanna Dzikowska, Dr Monika Konieczyńska, Dr inż. Andrzej Tyszecki, Dr inż. Jarosław Arabas, Przedstawiciel Gminy Podsumowanie i zakończenie Sesji poświęconej monitoringowi i aspektom technologicznym w kontekście poszukiwania i wydobycia gazu z łupków prof. Jan Hupka, dr inż. Andrzej Tonderski Politechnika Gdańska , POZNAŃ FORUM CZYSTEJ ENERGII

4 Zamiast wstępu Średnie zużycie wody dla złóż gazu niekonwencjonalnego w USA
Złoże Objętość wody potrzebna do odwiercenia odwiertu [m3] Objętość wody potrzebna do szczelinowania hydraulicznego odwiertu Całkowita objętość wody dla odwiertu Barnet Shale 1500 8700 10200 Fayetteville Shale 600 11000 11600 Haynesville Shale 3800 12000 14000 Marcellus Shale 300 14400 14700 (Anthony B., 2010)

5 LokalizacjA ujęć oraz wyznaczenie wielkości poborów wód powierzchniowych i podziemnych dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego Ogólne sformułowanie zadania Zapewnienie odpowiednich ilości wody dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego wymaga opracowania zintegrowanego bilansu wodno-gospodarczego dla obszaru bilansowania obejmującego tereny planowanej eksploatacji gazu łupkowego, uwzględniającego dyspozycyjne zasoby wód podziemnych w przyjętym obszarze, interakcję wód powierzchniowych i podziemnych oraz uwzględniającego specyficznego użytkowników jakim są ekosystemy wodne i od wody zależne .

6 Projekt obejmuje realizację następujących zadań:
Lokalizacja ujęć oraz wyznaczenie wielkości poborów wód powierzchniowych i podziemnych dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego Projekt obejmuje realizację następujących zadań: dostosowanie metodyki opracowywania bilansów wodno- gospodarczych poprzez integrację bilansów wód powierzchniowych i podziemnych oraz poprzez uwzględnienie specyfiki nowego sposobu użytkowania wód (modelowanie zapotrzebowania na wodę, procesu retencjonowania i wykorzystywania zasobów wodnych, oraz biorąc pod uwagę kryteria oceny stopnia realizacji zadania w instalacji szczelinowania) opracowanie symulacyjno-optymalizacyjnego modelu bilansu wodno-gospodarczego dla obszaru hydrograficznego obejmującego tereny eksploatacji gazu łupkowego metodą szczelinowania hydraulicznego; model będzie uwzględniał wymagania osiągnięcia celów środowiskowych określonych w PGWOD oraz w „Warunkach korzystania z wód regionu wodnego” Ewentualnie informacje ze strony 11 i 12 wniosku.

7 Projekt obejmuje realizację następujących zadań (cd):
lokalizacja ujęć oraz wyznaczenie wielkości poborów wód powierzchniowych i Podziemnych dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego Projekt obejmuje realizację następujących zadań (cd): wykonanie wariantowych obliczeń bilansowych wraz z analizą i oceną wariantów gospodarowania wodą – sformułowanie zaleceń realizacyjnych opracowanie modelu niezawodności uwzględniającego co najmniej dwa czynniki istotnie wpływające na niezawodność, tj. typ ujęć wody oraz zmienność ich lokalizacji; wskazanie sposobów utrzymania wysokiego poziomu niezawodności dla systemu pilotowego oraz oszacowanie kosztów zapewnienia odpowiedniego poziomu niezawodności. Ewentualnie informacje ze strony 11 i 12 wniosku.

8 lokalizacja ujęć oraz wyznaczenie wielkości poborów wód powierzchniowych i Podziemnych dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego Projekt obejmuje realizację następujących zadań w zakresie wód podziemnych : Identyfikacja i lokalizacja użytkowych poziomów wód podziemnych w rejonie występowania skał łupkowych, Ocena zasobów wód podziemnych użytkowych poziomów wodonośnych i oszacowanie wydajności ujęć wód podziemnych dla potrzeb procesu szczelinowania Opracowanie mapy (GIS) głównych źródeł zaopatrzenia instalacji w wody podziemne z użytkowych poziomów wodonośnych w rejonach występowania skał łupkowych i zintegrowanie z modelem wodno- gospodarczym Ewentualnie informacje ze strony 11 i 12 wniosku.

9 lokalizacja ujęć oraz wyznaczenie wielkości poborów wód powierzchniowych i Podziemnych dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego Projekt obejmuje realizację następujących zadań w zakresie wód podziemnych (cd) : Opracowanie optymalnych konstrukcji studni wierconych dla ujmowania wód podziemnych w różnych rejonach występowania skał łupkowych, Opracowanie optymalnej metody wiercenia ujęć wód podziemnych, Opracowanie optymalnej techniki i technologii wykonywania ujęć wód podziemnych Ewentualnie informacje ze strony 11 i 12 wniosku.

10 Przewidywane efekty realizacji projektu:
lokalizacja ujęć oraz wyznaczenie wielkości poborów wód powierzchniowych i podziemnych dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego Przewidywane efekty realizacji projektu: podstawy metodyczne oraz model zintegrowanego bilansu wodno-gospodarczego wód powierzchniowych i podziemnych dla obszaru bilansowego obejmującego tereny eksploatacji gazu łupkowego, propozycja rozwiązania problemu dostarczenia wody na potrzeby procesu szczelinowania hydraulicznego – lokalizacja ujęć wody i wielkości poborów wód powierzchniowych i podziemnych oraz sposobu transportu wody do i retencjonowania wody dla instalacji, ocena stopnia niezawodności poszczególnych wariantów dostawy wody w obszarze pilotowym wraz ze wskazaniem sposobów osiągnięcia odpowiedniego (wymaganego) poziomu niezawodności.

11 Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Definicja bilansu wodno-gospodarczego
Zintegrowany bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych jest specjalistycznym opracowaniem analityczno-rachunkowym wykonywanym dla obszaru bilansowego (zlewni rzecznej lub jej części) obejmującym ilościowe i jakościowe porównanie zintegrowanych zasobów wód powierzchniowych i podziemnych z potrzebami użytkowników, z uwzględnieniem możliwości kształtowania tych zasobów przez obiekty hydrotechniczne, hierarchii użytkowników, powiązań pomiędzy wodami powierzchniowymi i wodami podziemnymi oraz wymagań ochrony środowiska przyrodniczego (ekosystemów wodnych i od wód zależnych).

12 Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Definicja bilansu wodno-gospodarczego (cd) Obszary bilansowe charakteryzują się występowaniem różnorodnych form użytkowania i wielkością zapotrzebowania zasobów wodnych użytkowników wody konflikty wynikające z niemożności jednoczesnego spełnienia wszystkich oczekiwań/zadań wszystkich użytkowników.

13 Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Cele bilansów wodno-gospodarczych
ocena możliwości zaspokojenia ilościowych potrzeb wodnych użytkowników zaopatrywanych z wód powierzchniowych i podziemnych; ocena wpływu obecnego i przewidywanego użytkowania zasobów wodnych na reżim hydrologiczny rzek i użytkowych warstw wodonośnych ; ocena stopnia spełnienia wymagań związanych z ochroną środowiska;

14 Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Cele bilansów wodno-gospodarczych (cd)
określanie obszarowego i czasowego rozkładu rezerw zasobów wód powierzchniowych i podziemnych z podaniem uwarunkowań i ograniczeń wykorzystywania tych rezerw dla zaspakajania potrzeb nowych użytkowników; tworzenie podstaw dla przygotowania wniosków o udzielenie pozwolenia wodnoprawnego na pobór wody i odprowadzanie ścieków; określanie lokalizacji, parametrów oraz zasad pracy nowych obiektów hydrotechnicznych, ujęć wód, przerzutów etc..

15 Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (1)
bilans wykonywany jest dla obszarów hydrograficznych (dorzeczy, regionów wodnych, zlewni rzecznych lub ich części) oraz wybranych warstw wodonośnych – obszarów bilansowania ; bilans ma charakter dynamiczny tzn. uwzględnia zmienność w czasie danych wejścia opisujących elementy bilansu (zasoby, potrzeby, zrzuty, zasady pracy obiektów retencjonujących wodę i innych urządzeń hydrotechnicznych, itp.); bilans ma charakter wielookresowej symulacji rozrządu zasobów wodnych pomiędzy użytkowników w przekrojach bilansowych zlewni rzecznej dla wszystkich przedziałów czasowych analizowanego okresu bilansowania;

16 Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (2)
rozrząd zasobów wodnych odbywa się zgodnie z ustaloną hierarchią użytkowania wód przy użyciu modelu symulacyjno-optymalizacyjnego odzwierciedlającego obszarową strukturę systemu wodnogospodarczego (układ sieci rzecznej, trasy przerzutów wody, lokalizację punktów poboru wody i zrzutu ścieków); hierarchia użytkowania zasobów wodnych wynika z ustaleń warunków korzystania z wód regionu wodnego. analizy symulacyjne będą obejmować możliwie najdłuższy okres, dla którego dysponuje się wiarygodnymi danymi o zasobach i potrzebach wodnych;

17 Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (3)
Potrzeby wodne użytkowników nieretencjonujących wody opisywane są: ciągami średnich okresowych zapotrzebowań na wodę (gospodarka komunalna, zakłady przemysłowe), wymaganiami przepływu w określonych przekrojach rzek (przepływy nienaruszalne, przepływy żeglugowe).

18 Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (4)
Potrzeby wodne użytkowników „retencjonujących wodę” (retencja wody dla potrzeb instalacji szczelinującej, niektóre użytkowania związane z ochroną przyrody) obliczane są z uwzględnieniem aktualnego stanu obiektu użytkownika wody oraz aktualnych warunków hydro- meteorologicznych. Obliczanie potrzeb wodnych użytkowników „retencjonujących wodę” Takie podejście umożliwia uwzględnienie procesu narastania wielkości potrzeb wodnych, w przypadku, gdy w poprzednich okresach nie zostały one zaspokojone.

19 Lokalizacja przekrojów bilansowych:
Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (5) Lokalizacja przekrojów bilansowych: na ciekach głównych powyżej ujść dopływów, w ujściach dopływów, w przekrojach zamykających scalone części wód, w miejscach znaczących poborów i zrzutów wód, w miejscach usytuowania obiektów hydrotechnicznych kształtujących reżim przepływów (zbiorniki, przerzuty), na granicach jednostek administracyjnych i obszarów Regionalnych Zarządów Gospodarki Wodnej.

20 Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (6)
Zlewnia rzeczna wraz z użytkownikami wody i obiektami hydrotechnicznymi (system wodnogospodarczy) opisywana jest za pomocą sieci przepływowej, złożonej z węzłów i łuków; Węzły sieci odpowiadają lokalizacjom przekrojów bilansowych; Łuki sieci przedstawiają kierunki przemieszczania się zasobów między węzłami.

21 Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (7)
W tak sformułowanym modelu sieciowym wielkości przepływów Qij w poszczególnych łukach sieci, dla każdego przedziału czasowego, muszą spełniać dwa podstawowe warunki: warunek zgodności przepływów z ograniczeniami warunek zachowania bilansu przepływów w węźle m1 - liczba łuków skierowanych do węzła j o węźle początkowym i m2 - liczba łuków wychodzących z węzła j o węźle końcowym k W przypadku niedoboru zasobów do rozwiązywania problemu rozrządu wody pomiędzy użytkowników zgodnie z ustaloną hierarchią wykorzystane zostaną rożnego rodzaju algorytmy optymalizacyjne (np. programowanie liniowe, programowanie dynamiczne, programowanie sieciowe).

22 Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Bilans Wyniki obliczeń symulacyjnych (1)
Podstawową formą wyników analiz bilansowych są ciągi: przepływów w poszczególnych odcinkach rzek / kanałów i zmiany stanu wód podziemnych w użytkowych warstwach wodonośnych poborów, strat wody i zrzutów ścieków od użytkowników stanów obiektów hydrotechnicznych (np. napełnienia końcowe zbiorników retencyjnych) stanów obiektów użytkowników dla wszystkich przedziałów czasowych rozpatrywanego okresu bilansowego.

23 Wyniki obliczeń symulacyjnych stanowią podstawę dla oceny:
Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Wyniki obliczeń symulacyjnych (2) Wyniki obliczeń symulacyjnych stanowią podstawę dla oceny: stopnia realizacji zadania zaopatrzenia w wodę instalacji szczelinowania z uwzględnieniem wymagań innych użytkowników wody w tym ekosystemów wodnych i od wód zależnych; wielkości i rozkładu czasowego i przestrzennego dyspozycyjnych zasobów wodnych zwrotnych i bezzwrotnych; wpływu użytkowania zasobów wodnych (poborów) na reżim hydrologiczny rzek oraz stan wód podziemnych w kontekście utrzymania lub osiągnięcia dobrego stanu wód; sposobu i efektywności pracy obiektów hydrotechnicznych – ujęć, sieci zaopatrzenia w wodę .

24 Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Wariantowe analizy symulacyjne
Przy formułowaniu wariantów gospodarowania wodą uwzględnia się: występowanie projektowanych obiektów hydrotechnicznych (zbiorników retencyjnych dla potrzeb instalacji szczelinowania, kanałów przerzutowych), różne wartości parametrów projektowanych obiektów hydrotechnicznych (pojemność użyteczna zbiorników, przepustowość kanałów przerzutowych), Wariantowe lokalizacje i wielkości potrzeb wodnych nowych użytkowników - instalacji szczelinowania oraz zbiornika retencjonującego ciecz szczelinującą.

25 Zamiast wniosków PW i AGH zrealizują zadanie polegające na opracowaniu zintegrowanego bilansu wodno-gospodarczego dla obszaru bilansowania obejmującego tereny planowanej eksploatacji gazu łupkowego, bilansu stanowiącego podstawę decyzji i działań, które zapewnią odpowiednie ilości wody dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego.

26 FORUM CZYSTEJ ENERGII 8 Października 2013, POZNAŃ Zasoby wodne potrzebne do procesu szczelinowania hydraulicznego DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ ! Prof. dr hab. Marek Nawalany, dr inż. Dorota Pusłowska, dr inż. Sylwester Tyszewski – Politechnika Warszawska dr inż. Jan Macuda - Akademia Górniczo – Hutnicza

27 Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (2)
analizy symulacyjne powinny obejmować możliwie najdłuższy okres, dla którego dysponuje się wiarygodnymi danymi o zasobach i potrzebach wodnych; zaleca się 10-dniowy (dekadowy) krok symulacji – im krótszy tym dokładniejsza analiza i tym większe wymagania odnośnie szczegółowości danych wejściowych oraz wyższy stopień komplikacji modeli matematycznych; zasoby wód powierzchniowych opisywane są w postaci wieloletnich ciągów przepływów średnich dekadowych zestawionych dla przekrojów wodowskazowych.

28 Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (2)
analizy symulacyjne powinny obejmować możliwie najdłuższy okres, dla którego dysponuje się wiarygodnymi danymi o zasobach i potrzebach wodnych; zaleca się 10-dniowy (dekadowy) krok symulacji – im krótszy tym dokładniejsza analiza i tym większe wymagania odnośnie szczegółowości danych wejściowych oraz wyższy stopień komplikacji modeli matematycznych; zasoby wód powierzchniowych opisywane są w postaci wieloletnich ciągów przepływów średnich dekadowych zestawionych dla przekrojów wodowskazowych.

29 Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych Kryteria oceny stopnia realizacji zadań gospodarki wodnej (1) Średnia roczna gwarancja czasowa pokrycia potrzeb wodnych (Gt) Gwarancja objętościowa pokrycia potrzeb wodnych (Gv) Maksymalny czas trwania ciągłego deficytu (Lmax) Maksymalna głębokość deficytu (Dmax)

30 Charakterystyka zasobów w przekrojach bilansowych:
Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych Ocena wielkości oraz rozkładu czasowego i przestrzennego dostępnych zasobów wodnych (1) Charakterystyka zasobów w przekrojach bilansowych: PRZEPŁYWY GWARANTOWANE ZASOBY DYSPOZYCYJNE ZWROTNE o określonej gwarancji (ilość wody, jaka może zostać pobrana z danego przekroju rzeki pod warunkiem, że użytkownik po wykorzystaniu pobranej wody zwróci ją w całości do rzeki bezpośrednio poniżej miejsca poboru) ZASOBY DYSPOZYCYJNE BEZZWROTNE (REZERWY WODY) O OKREŚLONEJ GWARANCJI (DOPUSZCZALNA WIELKOŚĆ ZUŻYCIA BEZZWROTNEGO POBRANEJ WODY) S ≤ ZDB S P Z P ≤ ZDZ S ≤ ZDB QN S P=S QN

31 Dorota Pusłowska-Tyszewska
Optymalizacja lokalizacji ujęć oraz wielkości poborów wód powierzchniowych i podziemnych dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego z uwzględnieniem konieczności realizacji celów środowiskowych Marek Nawalany Dorota Pusłowska-Tyszewska Sylwester Tyszewski Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Środowiska Katedra Ochrony i Kształtowania Środowiska Jan Macuda Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu