Podziemne magazyny gazu

Podziemne magazyny gazu
02/2016 - Michał Surowski dla Instytutu Kamila Galickiego
Podziemne magazyny gazu (PMG) odgrywają istotną rolę w systemie zapewniania
bezpieczeństwa energetycznego krajów, zwłaszcza tych, które zmuszone są do importu gazu
ziemnego z racji nierównomiernego rozmieszczenia własnych złóż surowców
energetycznych, ograniczonej ich ilości i zróżnicowanych warunków do wykorzystania
alternatywnych źródeł energii.
Zapotrzebowanie na gaz w poszczególnych krajach jest uzależnione od warunków
klimatycznych (w szczególności takich jak zmienność pór roku i temperatury powietrza) oraz
od sposobu wykorzystania gazu. W Polsce gaz ziemny wykorzystywany jest głównie w
dwóch sektorach – komunalno-bytowym przede wszystkim do ogrzewania mieszkań,
przygotowywania ciepłej wody oraz w sektorze przemysłowym. W branży chemicznej gaz
ziemny służy, z kolei jako surowiec do syntezy oraz w hutniczej, ceramicznej, szklarskiej,
czy maszynowej do ogrzewania w przemysłowych procesach wysokotemperaturowych.
Roczne zapotrzebowanie na gaz ziemny w sektorze przemysłowym jest mniej więcej stałe,
natomiast w komunalno-bytowym charakterystyczna jest zmienność popytu (wzrost w
sezonie zimowym).
Jedynie około 30% krajowego zapotrzebowania na gaz ziemny w Polsce pokrywa wydobycie
z rodzimych złóż, dlatego też import jest niezbędny. Głównym dostawcą gazu dla państw
Europy Środkowo-Wschodniej jest Rosja z racji bliskości geograficznej i posiadania
ogromnych zasobów owego surowca, a konkretnie rosyjski państwowy koncern Gazprom zarazem jeden z największych koncernów gazowych na świecie. Jedynym krajem
niezależnym energetycznie do Rosji w regionie jest Estonia, posiadająca znaczne złoża
łupków roponośnych i jest to jedyny kraj, w którym stanowią one podstawowe źródło energii.
Umowy zawarte z Gazpromem przez PGNiG nie zezwalają w przypadku nadwyżki
dostarczonego gazu na jego odprzedaż osobom. Dodatkowo są to kontrakty typu „take or
pay”, zgodnie z którymi odbiorca zobowiązany jest zapłacić nawet w przypadku
nieodebrania dostawy gazu. Takie kontrakty są na rynku ropy i gazu dość popularne, co
wynika z wysokich kosztów budowy infrastruktury przesyłowej,
producenci/dostawcy gazu zabezpieczają się tego rodzaju umowami.
dlatego
Biorąc pod uwagę zmienność zapotrzebowania na gaz w ciągu roku oraz warunki umowy
dostaw gazu ziemnego, konieczne jest magazynowanie tego surowca. Podstawowe role
systemu magazynowania gazu to:

utrzymanie ciągłości dostaw gazu do odbiorców końcowych;

magazynowanie dostarczanych nadwyżek surowca;
zapewnienie rezerw strategicznych.

Istnieją różne sposoby magazynowania gazu. Oprócz PMG, gaz magazynowany może być
również w zbiornikach naziemnych oraz w sieci przesyłowej, jednak w Polsce właśnie PMG
odgrywają rolę strategiczną z punktu widzenia energetyki.
Polska posiada obecnie dziewięć PMG i aktualnie trwa rozbudowa 3: KPMG Mogilno,
KPMG Kosakowo oraz PMG Brzeźnica, zaś rozbudowa PMG Husów zakończyła się w 2015
roku. Prowadzona modernizacja sytemu umożliwi przyrost ogólnej pojemności czynnej
polskich PMG o 16,67% w ciągu 11 lat. Wzrost wydaje się znaczący, jednak warto zwrócić
uwagę, że jeszcze w 2010 roku w Polsce działało jedynie 6 PMG (o łącznej pojemności 1660
mln nm3, w 2012 roku zaś pojemności polskich PMG wynosiły niewiele więcej – 1860 mln
nm3, co wystarczało na pokrycie ledwie 49 dni średniego krajowego zapotrzebowania. Dla
porównania pojemność niemieckich PMG w 2012 roku pozwalała na pokrycie 103 dni
średniego krajowego zapotrzebowania. Sytuacja uległa znaczącej poprawie, jednak według
niektórych analiz ekonomicznych (Ciborski i Szumieluk, 2013) może ona okazać się
niewystarczająca w kontekście liberalizacji rynku gazu ziemnego w Polsce, jaka następuje,
a której potencjalnym skutkiem może być zwiększenie zapotrzebowania na pojemności
magazynowe. Według autorów jednak, wówczas nowe magazyny pojawią się zaraz później
ze względu na popyt właśnie na pojemności magazynowe.
Pojemność
czynna
[mln nm3]
Max. moc
zatłaczania
[mln nm3/doba]
Max. moc
odbioru
[mln nm3/doba]
Rozpoczęcie
eksploatacji
W sczerpanym złożu gazu
(zaazotowanego)
200
2.4
1.68
2010
PMG Brzeźnica
W sczerpanym złożu gazu
(wysokometanowego)
65
1.1
0.93
1979
PMG Daszewo
W sczerpanym złożu ropy
30
0.38
0.24
2009
PMG Husów
W sczerpanym złożu gazu
(wysokometanowego)
500
4.15
5.76
1987
PMG Strachocina
W sczerpanym złożu gazu
(wysokometanowego)
360
2.64
3.36
1982
PMG Swarzów
W sczerpanym złożu gazu
(wysokometanowego)
90
1
1
1979
PMG Wierzchowice
W sczerpanym złożu gazu
(zaazotowanego)
1200
6
9.6
1995
KPMG Mogilno
Kawernowy
468.2
9.6
18
1997
KPMG Kosakowo
Kawernowy
112.4
2.4
9.6
2014
Magazyn
Typ magazynu
PMG Bonikowo
Tabela 2: zestawienie parametrów polskich PMG [Źródło: www.osm.pgnig.pl, poza 1 i 3; źródła dla 1 i 3: Rybicki i in.,
2014, www.zielonagora.pgnig.pl].
Pojemność
Max. moc zatłaczania
Max. moc odbioru [mln
Planowany koniec
czynna [mln nm3]
[mln nm3/doba]
nm3/doba]
inwestycji
KPMG Mogilno
800
28.8
9.6
2027
KPMG Kosakowo
250
2.4
9.6
2022
PMG Brzeźnica
100
1.44
1.44
2016
Magazyn
Tabela 3: Parametry rozbudowywanych PMG po rozbudowaniu [źródło: www.osm.pgnig.pl].
Obecne zużycie gazu ziemnego w Polsce od kilku lat jest na stabilnym poziomie około 1515,5 mld nm3, zaś szacunki Ministerstwa Gospodarki z kwietnia 2015 roku mówiły
o osiągnięciu zużycia w 2016 roku 15,4 mld nm3. Przy takim założeniu, obecna pojemność
czynna PMG pozwoliłaby na pokrycie krajowego zapotrzebowania na gaz przez ok. 72 dni.
Według wspomnianych prognoz, w roku 2030 zapotrzebowanie Polski na gaz miałoby
sięgnąć 20 mld nm3, co przy planowanym na 2027 rok pojemności magazynowej PMG
wystarczy na pokrycie około 64 dni krajowego zapotrzebowania.
Powyższe dane dobitnie ukazują, iż z jednej strony pojemność magazynowa PMG w Polsce
zdecydowanie się powiększa, jednak na tle Europy Zachodniej wciąż nie są to wartości
imponujące. Warto jednak nadmienić, że uruchomienie w Świnoujściu terminalu LNG może
okazać się szansą na znaczące zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego Polski, a także,
że zwiększanie ilości i pojemności PMG może nie być tak kluczowe z uwagi na
dywersyfikację metod zabezpieczania bezpieczeństwa energetycznego kraju w zakresie
dostaw gazu ziemnego.
W dużej skali rola magazynowania gazu w sieciach przesyłowych, czy w gazociągach
wysokoprężnych jest niewielka – ogranicza się ona głównie do wyrównywania dostaw gazu
w zależności od zmienności zapotrzebowania dobowego. W przeciwieństwie do ropy
naftowej, która w Polsce jest magazynowa w zbiornikach naziemnych, taki sposób
przechowywania gazu również się nie upowszechnił – powodem są względy bezpieczeństwa.
Znaczenie strategiczne w skali naszego kraju mają podziemne magazyny gazu (PMG) - mogą
one istnieć w sczerpanych złożach ropy lub gazu, wyrobiskach górniczych, strukturach
solnych, warstwach wodonośnych, kawernach skalnych. W Polsce aktualnie funkcjonuje
dziewięć PMG, z czego dwa w strukturach solnych oraz siedem w sczerpanych złożach gazu
lub ropy. Z uwagi na strategiczne znaczenie PMG dla systemu zapewnienia bezpieczeństwa
energetycznego kraju w zakresie dostaw gazu warto bliżej przyjrzeć się technologiom
magazynowania tego surowca w sczerpanych złożach oraz w kawernach solnych.
W celu zrozumienia istoty technologii podziemnego magazynowania gazu, konieczne jest na
początek wyjaśnienie pewnych podstawowych terminów, używanych w gazownictwie
ziemnym:
Termin
Jednostka/wielkość
Opis
Warunki
normalne
Ciśnienie równe 101325 paskali
oraz temperatura równa 273,15
stopni Kelvina
Warunki odniesienia używane w gazownictwie – ciśnienie równe
atmosferycznemu oraz temperatura równa 0°C [=273,15 K].
Normalny
metr
sześcienny
Ilość gazu ziemnego, jaka
w warunkach normalnych zajmuje
objętość 1 m3.
Ze względu na ogromne ciśnienia i wysokie temperatury panujące
w głębi ziemi, m. in. w złożach gazu i ropy, tak wydobywany ze
złóż jak i magazynowany pod ziemią gaz mają inną objętość na
powierzchni i w złożu.
Tabela 4: Istotne terminy w gazownictwie ziemnym
Magazyny w sczerpanych złożach
Zasadniczą zaletą PMG w sczerpanych złożach jest ich dobre rozpoznanie geologiczne,
związane z eksploatacją złóż, co redukuje częściowo koszty tworzenia PMG, ale także dobra
ich dostępność.
Istnienie złoża węglowodorów jest związane na ogół z występowaniem tzw. pułapki na
węglowodory, gdzie mogą się one gromadzić pod nadkładem skał nieprzepuszczalnych
w postaci ciekłej (ropa naftowa) i/lub gazowej (gaz ziemny). Po wykorzystaniu (tzn.
sczerpaniu) złoża, może zostać ono wykorzystane w charakterze podziemnego magazynu
gazu, o ile spełnia pewne kryteria:






nadkład jest całkowicie szczelny;
znane jest położenie granicy pierwotnej i wtórnej między gazem w złożu a wodą
również występującą w tym złożu;
skała, w jakiej znajduje się złoże (tzw. skała zbiornikowa) jest porowata,
przepuszczalna i o dużej miąższości;
gaz pozostały w złożu powinien mieć skład chemiczny zbliżony do gazu zatłaczanego
i powinno zostać go względnie dużo;
złoże jest dobrze rozwiercone, a odwierty są w dobrym stanie technicznym;
złoże posiada dobrą dokumentację geologiczną oraz eksploatacyjną.
Oprócz powyższych warunków, konieczne jest również przeprowadzenie analizy potrzeb
tworzenia PMG w danym rejonie. W PMG w sczerpanym złożu gaz ziemny dzielony jest na
dwie części – gaz aktywny i buforowy. Pojemność zajmowaną przez gaz aktywny nazywa
się pojemnością czynną (aktywną), zaś zajętą przez gaz buforowy – buforową. W przypadku
magazynów w sczerpanych złożach, stosunek gazu aktywnego i buforowego wynosi 1:1. Gaz
buforowy jest niewykorzystywany poza magazynem, jego rolą jest zapewnienie odpowiednio
wysokiego ciśnienia gazu w magazynie, a także powstrzymanie niepożądanego ruchu wody
złożowej. Istnienie pojemności buforowej również tłumaczy wymogi podobieństwa składu
chemicznego eksploatowanego i magazynowanego gazu oraz niecałkowitego sczerpania
złoża do tworzenia PMG – wynikają one z tego, iż część pozostałego w złożu gazu wejdzie w
skład pojemności buforowej tworzonego magazynu. Maksymalne ciśnienie gazu w PMG nie
powinno przekraczać wartości ciśnienia, jakie panowało w złożu gazu przed rozpoczęciem
jego eksploatacji. Konieczność tworzenia PMG o wyższym ciśnieniu, niż początkowe
ciśnienie złożowe wymaga wykonania dodatkowych badań nad wytrzymałością struktury, by
wyeliminować ryzyko jej zeszczelinowania przy występowaniu dostatecznie wysokiego
ciśnienia.
Magazyny w kawernach solnych
Tworzenie PMG w kawernach solnych wymaga obecności odpowiednio miąższych złóż soli,
w których komory magazynowe są ługowane wodą. Sól kamienna (halit) z jednej strony
łatwo się urabia – poprzez ługowanie – z drugiej zaś jest nieprzepuszczalna dla cieczy i
gazów. Biorąc pod uwagę również fakt, że sól kamienna nie reaguje chemicznie z
węglowodorami, jej złoża wydają się idealną lokalizacją dla PMG. Sól kamienna posiada
również szczególne właściwości sprężysto-plastyczne, dzięki którym z jednej strony
w sąsiedztwie komór nie występują tąpnięcia i stan komór magazynowych może być w łatwy
sposób kontrolowany, z drugiej zaś efektem tych samych właściwości jest tzw.
konwergencja. Jest to zjawisko polegające na zmniejszaniu się objętości komory
magazynowej w czasie przez zaciskanie górotworu. Akceptowalną wartością konwergencji
jest wartość do 1% w skali roku. PMG w złożach soli składa się z wielu komór
magazynowych, których dopiero suma pojemności stanowi pojemność magazynu.
Komora magazynowa wykonywana jest poprzez wywiercenie otworu wiertniczego,
zabudowanie go i uszczelnienie kolumny rur. Następnie sól jest ługowana do utworzenia
komory magazynowej przy jednoczesnym pomiarze jej kształtu i wielkości. Później
następuje uzbrojenie odwiertu do zatłaczania gazu i odbioru solanki i przeprowadzane są
testy szczelności komory i odwiertu. Solanka zostaje w kolejnej fazie wytłoczona gazem
roboczym, z komory wyciągane są rury solankowe i głowica odwiertu zostaje połączona z
powierzchniową instalacją. Otwór wiertniczy i jego orurowanie służące do magazynowania
gazu w strukturach solnych muszą zapewnić możliwość opróżnienia komory magazynowej
w ciągu 2-3 tygodni.
Technologia wykonywania PMG w strukturach solnych jest relatywnie młoda, pierwszy raz
użyto jej pod koniec lat 80 w USA. Nie dziwi więc, że ciągle się rozwija – pojawiają się
nowe, dokładniejsze techniki pomiaru kształtu komór magazynowych, wraz z technologią
odwiertów horyzontalnych pojawiła się technologia komór tunelowych, wykonywana w
cienkich pokładach soli. Tworzone są nowe rodzaje komór magazynowych, jak komory
bliźniacze – gdzie wiercone są dwa otwory odległe o średnicę komory, oba są ługowane
jednocześnie i otrzymywana jest w ten sposób podwójna, połączona na dole komora
magazynowa. Przewagą takiego rozwiązania jest mniejsza konwergencja i szybsze
wykonywanie komór oraz większa wygoda eksploatacji.
Bibliografia:
Ciborski, J., Szumieluk, M. (2013). Kupić latem, sprzedać zimą. Rynek polskiej nafty i gazu - raport Instytutu Nafty i Gazu w Krakowie, 8:
8-13.
Kaliski, M., Janusz, P., Szurlej, A. (2010). Podziemne magazyny gazu jako element krajowego systemu gazowego. Nafta-Gaz, 5/2010: 325332.
Kunstman, A., Poborska-Młynarska, K., Urbańczyk, K. (2009). Geologiczne i górnicze aspekty budowy magazynowych kawern solnych.
Przegląd Geologiczny, 57 (9): 819-828.
Rybicki, Cz., Blicharski, J., Duliński, W., Ślizowski, J., Marszałek, J.: Transport i magazynowanie gazu ziemnego w: Nagy, S.
(red.): Vademecum Gazownika. Tom I. Wydawnictwo Stowarzyszenia Naukowo-Technicznego Inżynierów i Techników Przemysłu
Naftowego i Gazowniczego. Kraków 2014.
Strony internetowe (aktualne na dzień 08.02.2016):
Info Łupki - serwis o gazie łupkowym PIG-PIB:
 http://infolupki.pgi.gov.pl/pl/aktualnosci/ministerstwo-gospodarki-zuzycie-gazu-w-polsce-bedzie-roslo
Instytut Kościuszki:
 http://instytutkosciuszki.salon24.pl/533464,ke-czy-gazprom-kto-zyska-na-gazowej-potyczce
Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo:
 http://www.pgnig.pl/pgnig/segmenty-dzialalnosci/obrot-i-magazynowanie/magazynowanie
 http://zielonagora.pgnig.pl/
 https://www.osm.pgnig.pl
U.S. Energy Information Administration:
 https://www.eia.gov/naturalgas/storage/basics
Wirtualny Nowy Przemysł:
 http://gazownictwo.wnp.pl/czy-w-polsce-jest-szansa-na-wzrost-sprzedazy-gazu,255146_1_0_0.html
 http://gazownictwo.wnp.pl/druga-dostawa-lng-juz-w-swinoujsciu,266998_1_0_0.html