Projekt VAMPIRE

1. Cel projektu

Centrum Promocji i Transferu Technologii Sp. z o.o. (CTiPT) zrealizowało projekt, którego celem było opracowanie i przetestowanie nowatorskiej technologii utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń w wyrobiskach dołowych, przy jednoczesnym przetworzeniu energii cieplnej pochodzącej z reakcji utleniania metanu w chłód potrzebny do klimatyzacji rejonów wydobywczych.

W projekcie realizowano całkowicie nowe podejście do zagadnienia metanu
w kopalniach węgla kamiennego. Instalacja do dopalania metanu oparto o koncepcję autotermicznego reaktora modułowego. Reaktor wyposażono w systemy tłoczenia
i odpylania powietrza, został sprzężony z układem do konwersji energii. Cały proces optymalizowano, aby w danych warunkach uzyskać maksymalną energię możliwej
do przemiany w pracę. Instalacja wyposażono w sterowanie automatyczne
z wykorzystaniem systemów monitoringu, w tym temperatury, zapylenia, wilgotności powietrza i stężenia metanu.

Osiągnięcie ww. celów projektu było zapewnione przez dobór odpowiedniej kadry reprezentującej specjalistów z dziedzin inżynierii reaktorów i chemików katalityków, górnictwa, energetyki i automatyki, a także kontakty z przemysłem górniczym.

2. Nowość rezultatu – nowe cechy projektu

Nowość rezultatu – nowe cechy innowacyjnej technologii wynikają
ze zidentyfikowanych problemów technologicznych oraz eksploatacyjnych instalacji,
a przyjęto jako miary rezultatu:

• ograniczenie emisji metanu VAM do atmosfery
• produkcja chłodu z wykorzystaniem energii zawartej w metanie dla celów chłodzenia
• obniżenie temperatury w klimatyzowanych wyrobiskach
• wzrost efektywności zatrudnienia w miejscu wydobycia
• modułowość rozwiązania, gabaryty i wymiary – łatwość zastosowania, transportu.

Zaprojektowano reaktor katalityczny pracujący w jak najniższej temperaturze gazów wylotowych tj. 240°C. Wśród problemów jakie zostały rozwiązane w projekcie,
to zagadnienia związane z minimalizacją gabarytów urządzeń, pozwalającymi
na ich transport pionowy szybami i poziomy w wyrobiskach górniczych oraz łatwość
ich zabudowy, eksploatacji. Zbudowano instalację o konstrukcji modułowej, umożliwiającej dobór niezbędnych parametrów dla efektywnej pracy tego urządzenia. Reaktor modułowy, skonstruowany z jednostek o małych gabarytach ułatwia transport i montaż urządzeń, a ponadto umożliwia dobór wymaganej konfiguracji
dla parametrów powietrza wentylacyjnego oraz potrzeb wytwarzania chłodu
dla poprawy mikroklimatu.

W każdej z jednostek składających się na budowę reaktora modułowego, realizowane są następujące funkcje:

• kaskadowe podgrzanie gazu,
• reakcja katalityczna,
• wymiana ciepła pozwalają na stosunkowo łatwe sprzężenie z układem przewietrzania i regeneracji energii (PiRE).

Stąd nazwa instalacji do utylizacji powietrza VAM –  VAMPIRE.

3. Koszt i finansowanie realizacji projektu

CTiPT wystąpił do narodowego Centrum Badań i Rozwoju (NCBiR) o dofinansowanie projektu, a Umowa zawarta z NCBiR zawierała poziom kosztów kwalifikowanych około 21 mln PLN, przy wsparciu około 15,5 mln PLN oraz udziale własnym spółki około 5,5 mln PLN.

Projekt finansowo został rozliczony z NCBiR z dniem 31 grudnia 2023 roku (przy terminie zakończenia prac bez wsparcia, czyli środkami własnymi do 31 maja 2024 roku).

4. Ochrona praw własności intelektualnej

CTiPT dokonało dwa zgłoszenia patentowe rozwiązań w zakresie kluczowych podzespołów instalacji (katalizator, konstrukcja reaktora, układ wymiany ciepła, system wentylacji). Ochrona własności przemysłowej w postaci: zgłoszenia wynalazku w procedurze międzynarodowej, przy czym właścicielem uzyskanych patentów jest spółka.

5. Technologia i etapy realizacji projektu

Zastosowana technologia VAMPIRE – oferuje innowacyjną metodę utylizacji metanu ze strumienia VAM. Technologia opiera się na przetwarzaniu i regeneracji energii pochodzącej z katalitycznego spalania metanu. Powstałą energię cieplną można dalej wykorzystać przekształcając ją w chłód w wodzie lodowej, w układzie adsorpcyjnym umieszczonym tuż za reaktorem. Woda lodowa wykorzystana jest dalej w instalacji klimatyzacyjnej  do schładzania powietrza w wyrobiskach eksploatacyjnych. Klimatyzacja powietrza obiegowego w wyrobiskach, to istotna poprawa warunków pracy górników.

Sercem systemu jest reaktor katalityczny, który musi spełniać kilka istotnych wymogów, a w tym:

• małych rozmiarów  związanych z koniecznością transportu naczyniami wyciągowymi szybów ,
• wysokiej wydajności w stosunku do metanu,
• a także dużej mocy ze względu na energetyczne potrzeby układu klimatyzacji.
  To są podstawowe trzy kryteria optymalizacyjne używane do zaprojektowania
  i konstrukcji  reaktora katalitycznego.

Bardzo ważnym etapem prac były prace badawcze nad instalacją laboratoryjną prowadzone na terenie Uniwersytetu Jagiellońskiego Wydział Chemiczny w Krakowie przez zespól badawczy pod kierownictwem Pani prof. Joanny Paczkowskiej, na terenie Alpha Fluidic Associates Edmonton, Alberta Canada pod nadzorem Pana prof. Boba Hayes, w laboratoriach Kopalni Doświadczalnej Barbara przez pracowników naukowych  GIG pod kierownictwem Pana dr  Roberta Hildebrant.

Następnym etapem był dobór i kompletacja przy współudziale licznej kadry inżynieryjnej z wielu instytutów i specjalistycznych firm, wszystkich urządzeń technologicznych, całego ciągu technologicznego, systemu AKPiA, wraz z projektem technicznym i wykonaniem serca instalacji „katalizatora”, transportem całości
do podziemi Kopalni Doświadczalnej Barbara GIG w Mikołowie, montażem i próbami ruchowymi w wyrobiskach górniczych „pilotażowej instalacji VAMPiRE”.

Zbudowana demonstracyjna pilotażowa instalacja  spełnia następujące założenia:

• całość urządzenia umieszczona pod ziemią w kopalni, w specjalnie wyznaczonym chodniku, w pobliżu przodka, z którego pobierany jest strumień VAM.
• stężenie metanu od 0,4 do 1,2% obj. Jest to wartość orientacyjna, jednak wiadomo, że warunki autotermiczne pracy reaktora nie będą zachowane
  w całym zakresie stężeń.
• przepływ powietrza od 40 do 100 Nm³/min
• temperatura otoczenia 28^o C
• praca urządzenia w środowisku pyłu w strumieniu VAM.
• zawartość pary wodnej – wilgotność względna (RH) = 100% (1- 2% wag.)
• moc reaktora około 0,1 MW w celu zapewnienia energii dla układu chłodniczego – zapewnienie gorącego strumienia spalin z reaktora, który wykorzystany jest w zabudowanym do instalacji pilotażowej systemie klimatyzacji.
• urządzenie mieści w chodnikach Wymiary korytarzy ograniczają rozmiar instalacji: wysokość    = 1,6 m, szerokość = 1,1 m (nie ma ograniczenia długości chodnika).
• do projektu instalacji na dalszym etapie dojdzie obudowa termiczna spełniająca wymagania przeciwwybuchowości, dopuszczenia ATEX.

6. Efekty projektu

• Układ pilotażowy VAMPIRE spełnia poziom 7 gotowości technologicznej jest zainstalowany w chodniku doświadczalnej kopalni węgla Barbara.
• Instalacja przeszła szereg poziomów projektowania począwszy od skali laboratoryjnej.
• W wyniku realizacji projektu udało się stworzyć działającą jednostkę do utylizacji metanu z powietrza wentylacyjnego o stężeniu 0,5% do 1,2%.
• Uzyskano autotermię.
• Na wyjściu z reaktora uzyskano temperaturę powietrza mniejszą od 250^oC, niezbędnego do przetworzenia ciepła na wodę lodową.
• Układ reaktora wyposażono w elektryczny system inicjacji reakcji o mocy 24kW.
• Zmontowana instalacja pilotażowa VAMPiRE jest układem skalowalnym poprzez multiplikację modułów.

7. Podsumowanie projektu

W związku z powyżej opisanymi kwestiami należy uznać, że cel projektu w postaci zaproponowania na rynku nowego produktu i zaoferowaniu przez CTiPT innowacyjnego produktu na rzecz przemysłu wydobywczego został zrealizowany.

Uwalnianie się metanu w kopalniach głębinowych węgla kamiennego stanowi zagrożenie dla bezpieczeństwa załogi, bardzo negatywnie oddziałuje na środowisko naturalne. Niestety, aż około 82 % uwolnionego z węgla kamiennego metanu jest zawarte w powietrzu wentylacyjnym (około 475,4 mln m3 czystego CH4 za 2022 rok), a do tego o bardzo niskich stężeniach na dole kopalni średnio 0,7 – 1,2 %, zaś na powierzchni przy dyfuzorze szybu wydechowego 0,2 – 0,35 %. Ten główny strumień metanu wraz z powietrzem wentylacyjnym (VAM) bezpośrednio trafia w całości do atmosfery, bowiem brak dotychczas  efektywnej techniczno – ekonomicznie technologii do jego utylizacji (zagospodarowania).

Oczywiście pozostały emitowany z węgla metan (o stężeniu najczęściej od 32 do 75% obj.) uchwycony systemem rurociągów i pomp ze stacji odmetanowania, coraz skuteczniej przez kopalnie jest wykorzystywany energetycznie, jako paliwo do instalacji ciepłowniczo-energetycznych na powierzchni.

Zaoferowanie na rynku rezultatów projektu znacząco zmienia sytuację, wykorzystując pozornie dotąd nieużyteczne (i wręcz niepożądane) źródła energii do zasilania instalacji chłodzących rejony eksploatacji górniczej, z ograniczaniem zagrożeń klimatycznych – w rozumieniu ochrony środowiska i poprawą komfortu  pracy pod ziemią.

Dodatkowo w świetle mocnej presji UE na wdrożenie restrykcyjnego Rozporządzenia Metanowego, bezdyskusyjnie spodziewać się należy, silnego impulsu inwestycyjnego ze strony bardzo wielu branż mających niskoprocentowe wycieki metanu, a więc przede wszystkim górnictwa węgla kamiennego, rolnictwa, gazownictwa, na wdrożenia dostępnego z projektu, nowatorskiego rozwiązania do eliminacji wycieków niskoprocentowego metanu do atmosfery – instalacji VAMPiRE.

Unijne rozporządzenie wprowadzi bowiem szereg obowiązków i dotkliwych kar, by koszty społeczne i środowiskowe emisji metanu znalazły odzwierciedlenie w bardzo wysokich kosztach opłat za korzystanie ze środowiska, w unijnym mechanizmie wyceny opłat za emisje EU ETS, w planie skutecznej eliminacji wszelkich emiterów tego gazu.

Wprowadzi rygorystyczne zasady weryfikacji miejsc emisji, szczegółowe raportowanie do wskazanych instytucji o wyciekach metanu, by docelowo wypuszczanie gazu do atmosfery jak najszybciej bezwzględnie zakazać.

Zawarte w nim początkowe dopuszczalne jednostkowe wolumeny wycieku metanu, choć 10 – cio krotnie zwiększone po interwencji polskiego rządu, nadal polskie górnictwo węgla kamiennego na dziś nie spełnia, a przecież z roku na rok wolumeny dopuszczalne mają ostro maleć dla wszystkich emitentów.

Dlatego należy jeszcze raz podkreślić, że projekt potwierdził przy użyciu instalacji typu VAMPiRE efektywną utylizację niskoprocentowego metanu VAM. Dla górnictwa węgla kamiennego szczególnie, gdy jego stężenie w procesie eksploatacji węgla jest jeszcze na poziomie 0,7 – 1,2 %, a więc w wyrobiskach dołowych.

Redukcja metanu w powietrzu wentylacyjnym, to jedyna droga do obniżenia ogólnego wycieku metanu do atmosfery w wszystkich branżach, droga do efektywności i dalszego istnienia.