Geotermia z wód kopalnianych – czym jest, jak działa i kiedy ma sens?

Zalane, nieczynne wyrobiska górnicze stają się coraz częściej wartościowym, lokalnym źródłem ciepła niskotemperaturowego. Idea ta polega na wykorzystaniu wód nagromadzonych w podziemnych chodnikach i szybach, które osiągają podwyższoną temperaturę dzięki naturalnemu gradientowi geotermalnemu oraz akumulacji ciepła w otaczających je skałach. Systemy oparte na wodach kopalnianych znajdują już zastosowanie komercyjne i wpisują się w rozwój nowoczesnych, niskotemperaturowych sieci ciepłowniczych, w tym koncepcji sieci ciepłowniczych piątej generacji. Obecnie instalacje tego typu dostarczają na świecie około 85 MW mocy grzewczej oraz 20 MW mocy chłodniczej.

Potencjał globalny

Według dostępnych szacunków co najmniej 3000 MWt energii cieplnej może zostać pozyskane z zalanych wyrobisk górniczych na terenie samej tylko Unii Europejskiej. Na świecie zidentyfikowano ok. 160 000 nieczynnych oraz 23 000 czynnych kopalń metali, a według innych danych nawet 500 000 opuszczonych kopalń znajduje się w Stanach Zjednoczonych. Pomimo tak dużego potencjału, obecnie działa jedynie ok. 50 instalacji wykorzystujących wody kopalniane, co jasno wskazuje na znaczny stopień niewykorzystania tych zasobów. Dobrym przykładem jest Wielka Brytania, gdzie przeprowadzone analizy pokazują, że zasoby ciepła zgromadzone w dawnych zagłębiach węglowych mogłyby pokryć zapotrzebowanie energetyczne wszystkich budynków zlokalizowanych nad nimi. Wysoki potencjał do dalszego rozwoju tej technologii wskazywany jest również m.in. w Kanadzie, Hiszpanii, Francji, Polsce, Czechach, Chinach, USA oraz na Węgrzech.

Typy systemów wykorzystania wód kopalnianych

1. System otwarty: wymiennik ciepła zlokalizowany na powierzchni

W tym rodzaju systemu otwartego woda sama wypływa z kopalni (np. grawitacyjnie sztolnią odwadniającą). Następnie jest tłoczona do stacji wymienników ciepła, gdzie przekazuje energię cieplną do obiegu pośredniego lub bezpośrednio do pompy ciepła.

Zalety: niewielkie zapotrzebowanie na moc pomp oraz łatwy dostęp do instalacji.

Wada: temperatura wody w sztolni może być niższa niż w innych, głębszych poziomach kopalni, co ogranicza efektywność.

2. System otwarty: wymiennik powierzchniowy z pompowaniem wody poniżej poziomu terenu

Jeśli dostępny jest szyb umożliwiający tłoczenie wody z głębszych partii kopalni, woda kopalniana może być kierowana do wymiennika ciepła lub, w niektórych przypadkach, bezpośrednio do pompy ciepła.

Zalety: możliwość wykorzystania obiegu wodnego również do chłodzenia; możliwość odzysku części energii pompowania (szacunkowo 30–50%).

Wady: wysokie zużycie energii przez pompy oraz ryzyko osadzania się kamienia i zanieczyszczeń przy bezpośrednim doprowadzaniu wody do pompy ciepła.

3. System otwarty: wymiennik ciepła zlokalizowany pod ziemią

Jest to rozwiązanie stosowane najczęściej. Polega na instalacji wymiennika ciepła w wyrobisku podziemnym i oddzieleniu wody kopalnianej od pompy ciepła obiegiem pośrednim.

Zalety: ochrona pompy ciepła i instalacji przed korozją oraz osadami mineralnymi; brak konieczności pompowania dużych ilości wody na powierzchnię.

Wady: ograniczony dostęp do podziemnych wymienników, utrudniona konserwacja i naprawy.

4. System zamknięty (wymiennik zanurzony)

W systemach zamkniętych wymiennik ciepła jest umieszczony w zalanych wyrobiskach, a czynnik roboczy krąży w obiegu zamkniętym, często z wykorzystaniem zasady termosyfonu. Układ może mieć sprężarkę umieszczoną na powierzchni (z długą linią ssawną) lub pod ziemią (z długą linią tłoczną).

Wady: duża objętość czynnika chłodniczego oraz konieczność uwzględnienia jego wpływu na środowisko w przypadku awarii; brak możliwości pracy w trybie chłodzenia przy systemach termosyfonowych. Możliwe jest stosowanie w obiegu wody zamiast czynnika chłodniczego, co zmniejsza ryzyko zanieczyszczeń, lecz obniża sprawność układu.

5. Systemy wykorzystujące bezpośrednio wodę z odwadniania kopalń odkrywkowych

W czynnych kopalniach odkrywkowych woda z systemów odwadniających może być wykorzystywana jako źródło ciepła lub chłodu. Ograniczenia: zależność dostępności wody od prowadzonego wydobycia, wymóg bliskości stacji pomp oraz odbiorców ciepła; zazwyczaj niższa temperatura wód odwadniających w porównaniu z kopalniami podziemnymi.

Główne wyzwania techniczne i środowiskowe

• Korozja i scaling – instalacje wymagają materiałów i powłok odpornych na chemikalia; konieczne może być odsalanie, neutralizacja pH, itp. lub zastosowanie systemu obiegu zamkniętego.
• Zarządzanie hydrauliką złoża – bez reiniekcji może z czasem dojść do zmian przepływów i obniżenia temperatury.
• Aspekty prawne i środowiskowe – m.in. wpływ odprowadzenia wody, ryzyko migracji zanieczyszczeń, wymogi dotyczące praw własności i udostępnienia infrastruktury.
• Techniczne wykonanie projektu – brak potrzebnego doświadczenia wśród firm wykonawczych.
• Integracja z istniejącą infrastrukturą ciepłowniczą – transformacja systemów wymaga zaprojektowania niskotemperaturowej sieci i instalacji pomp ciepła (najczęściej spotykane temperatury w zalanych kopalniach mieszczą się w zakresie ok. 10-25°C).

Korzyści z wykorzystania wód kopalnianych

W porównaniu z konwencjonalnymi systemami geotermalnych pomp ciepła (GHP), odzysk ciepła z wód kopalnianych oferuje szereg istotnych korzyści:

• Wody kopalniane znajdują się na znacznie większych głębokościach niż woda w tradycyjnych wymiennikach gruntowych, dzięki czemu zwykle mają wyższą temperaturę.
• Objętość retencyjna wyrobisk znacznie przewyższa pojemność systemów GHP, co przekłada się na dużą, długoterminową rezerwę cieplną oraz lepszą odporność na wychłodzenie złoża.
• Wymiana ciepła między wodą kopalnianą a otaczającą formacją skalną jest bardziej efektywna niż w klasycznych systemach gruntowych pomp ciepła (GCHP), a ponadto unika się problemów technicznych i środowiskowych związanych z cyrkulacją wód porowych w układach GWHP (gruntowo-wodnych pomp ciepła).
• Dzięki już istniejącej infrastrukturze nieczynnej kopalni unikamy kosztów budowy nowych odwiertów oraz redukujemy ingerencję w środowisko.

Dodatkowo zrównoważone wykorzystanie wód kopalnianych jako nośnika energii stanowi formę „energetycznego recyklingu” zasobu, który dotychczas postrzegano głównie jako odpad. Nie bez znaczenia jest także zachowanie dziedzictwa górniczego. Przejście kopalni na użytkowanie odnawialnych źródeł energii to możliwość zachowania tożsamości kulturowej lokalnych społeczności.

Nowy kierunek badań

Innowacyjnym kierunkiem zagospodarowania ciepła z głębokich wyrobisk górniczych jest koncepcja synergicznego wydobycia geotermalnego i węglowego (GE-COSM), w której podziemne przestrzenie poeksploatacyjne wykorzystuje się do pozyskania energii cieplnej i waloryzacji stałych odpadów węglowych (C-BSW).

W metodzie tej stosuje się specjalny funkcjonalny materiał podsadzkowy w formie pasty cementowej, wzbogacony stałymi odpadami węglowymi oraz materiałami zmiennofazowymi (PCM – phase change materials). PCM zwiększają zdolność materiału do magazynowania energii, ponieważ:

• wchłaniają ciepło, gdy się topią, bez znacznego wzrostu własnej temperatury,
• oddają to ciepło podczas ponownego krzepnięcia, kiedy temperatura otoczenia spada poniżej punktu krzepnięcia PCM.

Zastosowanie PCM w masie podsadzkowej pozwala gromadzić ciepło naturalnie występujące w podziemnych kopalniach i przechowywać je tak, aby w okresach zwiększonego zapotrzebowania mogło zostać odzyskane i przekazane do instalacji grzewczych. To rozwiązanie jest bardzo obiecujące, szczególnie pod kątem poprawy efektywności sezonowego magazynowania ciepła, ale obecnie pozostaje na etapie badań laboratoryjnych, a jego wdrożenia przemysłowe jeszcze nie istnieją.

Przykłady wdrożeń i doświadczenia

1. Holandia

Najważniejszym i najbardziej znanym przykładem jest projekt Minewater, który z projektu pilotażowego stworzonego w 2008r. przeistoczył się obecnie w kompleksową, hybrydową infrastrukturę energetyczną. System w Heerlen zapewnia ogrzewanie i chłodzenie dla obiektów o łącznej powierzchni ok. 250 000 m². Infrastruktura obejmuje 100 pomp ciepła o mocy 200 kW oraz blisko 100 pomp wspomagających do przygotowywania ciepłej wody użytkowej, obsługujących budynki biurowe, handlowe, edukacyjne, obiekty przemysłowe oraz ok. 400 mieszkań. Szczytowe zapotrzebowanie na moc cieplną systemu wynosi 1,7 MW, natomiast roczna produkcja energii kształtuje się na poziomie 20 TJ ciepła oraz 20 TJ chłodu.

Projekt w Heerlen stanowi przykład niskotemperaturowej sieci ciepłowniczej piątej generacji, umożliwiającej dwukierunkową wymianę energii pomiędzy klastrami budynków, sezonowe magazynowanie ciepła i chłodu oraz reiniekcję wód. System istotnie przyczynia się do redukcji emisji CO₂.

2. Projekty w Polsce

Pierwszym pilotażowym wdrożeniem technologii odzysku ciepła z wód kopalnianych w Polsce był projekt zrealizowany w kopalni Saturn w Czeladzi. W 2012r. uruchomiono tam instalację służącą do ogrzewania budynku zakładu oraz wspomagania chłodzenia. System pracował w oparciu o wodę o temperaturze około 13°C i dysponował mocą cieplną rzędu 117,8 kW.

W kopalni Sobieski w Jaworznie wody kopalniane o temperaturze 12–14°C, pozyskiwane z głębokości 500 m, wykorzystywano do celów sanitarnych, głównie w górniczych łaźniach. Z kolei w bytomskiej kopalni Szombierki wdrożono niewielki system grzewczy zasilany wodą o temp. 22–24°C, oparty na pompie ciepła o mocy 10 kW, przeznaczony do ogrzewania budynku usługowego.

Na większą skalę realizowany jest projekt prowadzony przez Polską Grupę Górniczą S.A. (PGG) oraz Dalkia Polska Energia S.A. Instalacja powstająca w KWK Mysłowice–Wesoła w Katowicach ma, zgodnie z aktualnymi założeniami, rozpocząć pracę w III kwartale 2026 roku. System o mocy 2 MW umożliwi wykorzystanie ciepła geotermalnego z podziemnych wód kopalnianych i zasili miejską sieć ciepłowniczą. Planowane jest pobieranie wody o temperaturze 25°C z głębokości 655 m, co pozwoli na roczne oszczędności energii na poziomie ok. 5 260 MWh oraz redukcję emisji CO₂ o 1 319 ton rocznie.

3. Wybrane przykłady światowe

• Kanada

Jednym z pierwszych na świecie projektów wykorzystania potencjału wody z kopalń podziemnych do celów geotermalnych (lata 70. XX wieku) były zalane kopalnie węgla w Springhill. Woda o temperaturze 20°C była pobierana z głębokości 140 m, na powierzchni osiągając temperaturę 18°C. System o mocy cieplnej około 111 kW służył do ogrzewania i chłodzenia budynków pobliskich przedsiębiorstw.

• Norwegia

W 1998r. w muzeum górnictwa miedzi „Folldal Gamle Gruver” w Norwegii zainstalowany został system pomp ciepła zasilanych wodą kopalnianą. Instalacja pracowała przez około 10 lat, do momentu awarii pompy ciepła. Ze względu na silne zanieczyszczenie wody siarczkami zastosowano układ pośredni w obiegu zamkniętym. Do obiegu dodano również środek przeciwzamarzaniowy, umożliwiający bezpieczny odbiór ciepła z wód kopalnianych i jego transport do pompy ciepła. System zapewniał temperaturę na poziomie 22°C oraz moc cieplną rzędu 18 kW, przy zużyciu energii elektrycznej wynoszącym 4,6 kW.

• USA

W 2010r. w Scranton, na terenie nieczynnej kopalni węgla, zainstalowano system wykorzystujący wodę kopalnianą do chłodzenia Centrum Studiów Architektonicznych Uniwersytetu Marywood. Celem projektu było wdrożenie instalacji, która mogłaby być stosowana zarówno do chłodzenia budynków, jak i procesów technologicznych. Woda kopalniana pobierana jest za pomocą pompy zanurzeniowej z szybu o głębokości 122 m, a cały układ pracuje w systemie obiegu otwartego. Na powierzchni, w wymienniku ciepła, temperatura wody kopalnianej wzrasta z 13,9 do 16,1°C, podczas gdy temperatura wody obiegowej (czystej) obniża się z 15,6 do 12,8°C. Po oddaniu ciepła woda kopalniana jest zawracana z powrotem do wyrobiska, natomiast woda obiegowa krąży w zamkniętym układzie, zasilając pasywne belki chłodzące w budynku.

• Chiny

W kopalni Jiahe w Xuzhou wdrożono system wykorzystujący wody kopalniane do jednoczesnego ogrzewania budynków powierzchniowych, chłodzenia wyrobisk podziemnych oraz zabezpieczenia głowicy szybu przed zamarzaniem. System pracuje w oparciu o wodę o temp. 36°C, pozyskiwaną z głębokości 1 km, osiągając moc cieplną rzędu 3722 kW. Z kolei w podziemnej kopalni Zhaolou w prowincji Shandong zastosowano instalację służącą do ogrzewania powietrza wlotowego oraz chłodzenia wyrobisk. System osiąga moc cieplną 7500 kW, wykorzystując wody kopalniane o temperaturze 26°C, ujmowane z głębokości 860-1000 m.

• Wielka Brytania

Projekt realizowany w Gateshead stanowi obecnie największą sieć ogrzewania opartą na wodach kopalnianych w Wielkiej Brytanii i jedną z największych tego typu instalacji w Europie. W 200-letnich wyrobiskach górniczych znajdujących się na głębokości 150 m pod centrum Gateshead wywiercono 3 odwierty. Ujmowana nimi woda (temp. 15 °C) jest kierowana do pompy ciepła o mocy 6 MW, gdzie jej temperatura zostaje podniesiona do poziomu użytkowego. Następnie ciepło dystrybuowane jest do setek domów i obiektów komercyjnych za pośrednictwem sieci ciepłowniczej o długości ok. 5 km.

Wnioski

Geotermia z wód kopalnianych to coraz częściej wdrażana technologia niskotemperaturowego ogrzewania i chłodzenia, szczególnie atrakcyjna dla regionów pogórniczych z zalanymi wyrobiskami. Projekty takie jak Minewater w Heerlen pokazują, że można nie tylko uzyskać ciepło, ale też zbudować elastyczną infrastrukturę energetyczną. To szczególnie atrakcyjne rozwiązanie w obecnej dobie transformacji energetycznej. Kopalnie mogą znów pracować, ale w zupełnie inny sposób. Zamiast węgla wydobywają dziś ciepło, wodę i nadzieję na zrównoważoną przyszłość regionów górniczych.

Bibliografia / Źródła:

1. Mine Water as an Energy Source: Overview of Technical Basics, Existing Plants, and Monitoring Results, Lukas Oppelt, Thomas Grab, Tom Ebel, Timm Wunderlich, Thomas Storch, Tobias Fieback, 2025

2. Opportunities and Technical Challenges for Thermal Energy Exchange from Abandoned Underground Mines using Ground Source Heat Pump, Sajjan Pokhrel, 2025

3. European Commission: Directorate-General for Energy, The use of mine water in district heating systems – An example from Heerlen, Netherlands, Publications Office of the European Union, 2024, https://data.europa.eu/doi/10.2833/962328

4. A new method for exploiting mine geothermal energy by using functional cemented paste backfill material for phase change heat storage: Design and experimental study, Hengfeng Liu, Alfonso Rodriguez-Dono, Jixiong Zhang, Nan Zhou, Yanjun Wang, Qiang Sun, Luobin Zhang, 2022

5. Use of Geothermal Heat of Mine Waters in Upper Silesian Coal Basin, Southern Poland – Possibilities and Impediments, Ewa Janson, Grzegorz Gzyl, Marcin Głodniok, Małgorzata Markowska, 2017

6. Geothermal heat recovery from abandoned mines: a systematic review of projects implemented worldwide and a methodology for screening new projects, Esmeralda Peralta Ramos, Katrin Breede, Gioia Falcone, 2015

7. Green energy from mine water: global utilization and a new method for assessing geothermal project viability, Grzegorz Gzyl, Anna Skalny, 2025

8. https://www.seequent.com/striking-heat-and-metal-why-mining-and-geothermal-should-forge-a-new-alliance/ (dostęp 22.11.2025r.)

9. https://www.thinkgeoenergy.com/mine-water-heat-recovery-system-to-be-installed-in-katowice-poland/ (dostęp 29.11.2025r.)

10. https://www.thinkgeoenergy.com/abandoned-coal-mines-as-source-for-geothermal-direct-use-for-heating/ (dostęp 29.11.2025r.)

11. https://energia-geotermalna.org.pl/geotermia-z-zamykanych-kopalni/ (dostęp 22.11.2025r.)

12. https://www.durham.ac.uk/research/institutes-and-centres/durham-energy-institute/about-us/news/fuelling-futures-realising-mine-water-geothermal-energy/ (dostęp 02.12.2025r.)

13. Geothermal energy recovery from deep flooded copper mines for heating, Ting Bao, Jay Meldrum, Christopher Green, Stanley Vitton, Zhen Liu, Kelsey Bird, 2019

14. Minewater 2.0 Project in Heerlen the Netherlands: Transformation of a Geothermal Mine Water Pilot Project into a Full Scale Hybrid Sustainable Energy Infrastructure for Heating and Cooling, René Verhoeven, Eric Willems, Virginie Harcouët-Menou, Eva De Boever, Louis Hiddes, Peter Op’t Veld, Elianne Demollin, 2014

15. https://www.thinkgeoenergy.com/gateshead-uk-mine-water-geothermal-heating-scheme-hailed-a-success/ (dostęp 06.12.2025r.)

16. https://cms.ukgeos.ac.uk/news/assets/Information_sheet_ext.pdf (dostęp 07.12.2025)

17. https://www.districtenergyaward.org/wp-content/uploads/2019/09/b9508b8e8e7d4e76a0621b8d0c49c629tmp1.pdf (dostęp 07.12.2025)

18. Analysis of geothermal heat recovery from abandoned coal mine water for clean heating and cooling: A case from Shandong, China, Huajun Wang, Yishuo Xu, Lijuan Yuan, Yukun Sun, Yun Cai, 2024