Tytuł projektu: Rozpoznanie procesów wydobycia gazu łupkowego wspomaganego zatłaczaniem CO2 (CO2-ESGR) w oparciu o badania wymiany CO2/CH4 w warunkach laboratoryjnych odwzorowujących naprężenie, ciśnienie i temperaturę in situ
Źródło finansowania: Narodowe Centrum Nauki
Konkurs: OPUS 29
Numer projektu: 2025/57/B/ST10/02593
Okres realizacji: 01.01.2026 – 31.12.2029
Budżet Projektu: 1 810 060 PLN
Kierownik projektu: dr hab. inż. Mateusz Kudasik, prof. IMG PAN
Streszczenie
Rosnące zapotrzebowanie na energię, a także pogłębiające się problemy klimatyczne wynikające z emisji gazów cieplarnianych (GHG), przyczyniają się do poszukiwania nowych źródeł gazu ziemnego, przy jednoczesnej redukcji emisji i wykorzystaniu przemysłowo wychwytanego CO2. Jedną z potencjalnych metod składowania CO2 jest geologiczna sekwestracja w formacjach łupkowych, gdzie występują duże złoża metanu (CH4). Proces wysokociśnieniowego zatłaczania CO2 do głębokich (nawet do 4000 m) formacji łupkowych ma na celu stymulację procesów wymiany CO2/CH4, w wyniku czego CO2 zostaje uwięziony w przestrzeni porowej łupków, a gaz łupkowy (składający się głównie z CH4) zostaje wyparty i ujęty (technologia CO2-ESGR). Nieudane próby wydobycia gazu łupkowego w Polsce, prowadzone w latach 2013-2017, doprowadziły do zaniechania dalszych prób eksploatacji tego źródła energii. Jednakże, w świetle globalnego kryzysu energetycznego i postępu technologicznego, jaki nastąpił w ciągu ostatniej dekady, temat eksploatacji gazu łupkowego w Polsce odżywa. Dlatego kluczowe jest, aby eksploatacja słabo rozpoznanych złóż gazu łupkowego w Polsce, a także zastosowanie nowych rozwiązań technologicznych, takich jak CO2-ESGR, były poprzedzone szczegółowymi badaniami laboratoryjnymi, w warunkach odpowiadających warunkom in situ, a także serią symulacji numerycznych. Celem projektu jest przeprowadzenie badań laboratoryjnych technologii CO2-ESGR w warunkach naprężenie-ciśnienie-temperatura odpowiadających warunkom in situ, na głębokościach do 4000 metrów. W takich warunkach naprężenie wywierane na skały wynosi około 100 MPa, ciśnienie gazu łupkowego wynosi około 10-50 MPa, a temperatura sięga 130oC. W ramach projektu powstaną dwa unikalne stanowiska badawcze (IMG-SSR i IMG-GEX), które umożliwią symulację warunków in situ oraz przeprowadzenie badań strukturalnych i sorpcyjnych łupków na jednym z tych stanowisk, a także przeprowadzenie eksperymentów przepuszczalności i wymiany CO2/CH4 na drugim stanowisku. Badania zostaną przeprowadzone na 6 próbkach fragmentów rdzeni łupków z Polski, głównie z regionu basenu bałtycko-podlasko-lubelskiego. Wyniki badań strukturalnych i sorpcyjnych, uzyskane na analizatorze IMG-SSR na próbkach w warunkach naprężenie-ciśnienie-temperatura odpowiadających warunkom in situ, w porównaniu z wynikami badań próbek w warunkach wolnych od obciążeń, pozwolą na określenie wpływu naprężeń na zmianę porowatość i objętość porów w skale. Ponadto możliwe będzie określenie, w jakim stopniu parametry mierzone laboratoryjnie różnią się od parametrów skały w warunkach in situ głęboko pod ziemią. Badania przepuszczalności zostaną przeprowadzone na aparacie IMG-GEX metodą przepływu stacjonarnego, przy czym współczynniki przepuszczalności zostaną wyznaczone z wykorzystaniem prawa Darcy’ego, a także przepuszczalność absolutna Klinkenberga. Poprzez porównanie przepuszczalności rdzeni prostopadłych i równoległych do uławicenia, a także przepuszczalności szczelin tych rdzeni, zostanie określony wpływ procesu szczelinowania na stymulację przepływu gazu w różnych kierunkach w obrębie formacji łupkowej. Najważniejsze eksperymenty projektu, wymiana CO2/CH4, zostaną przeprowadzone na aparacie IMG-GEX i będą polegać na wstrzykiwaniu CO₂ do próbki łupka, która zostanie wstępnie nasycona CH4. Proces ten ma na celu wywołanie wymiany mieszaniny gazowej (CO2/CH4) w przestrzeni porowej oraz wymiany sorpcyjnej CO2/CH4 na powierzchni porów łupka. Eksperymenty te zostaną przeprowadzone w laboratoryjnie symulowanych warunkach naprężenia-ciśnienia-temperatury in situ, co czyni je pionierskimi eksperymentami laboratoryjnymi. Na podstawie tych eksperymentów zostanie oceniona wydajność procesu CO2-ESGR, a także selektywność wymiany oraz tempo i zasięg przestrzenny strefy wymiany. Wyniki eksperymentów wymiany CO2/CH4 posłużą jako podstawa do budowy modelu numerycznego. Końcowym etapem projektu będzie opracowanie modelu numerycznego opartego na wynikach przeprowadzonych analiz. Symulacje numeryczne pozwolą na rekonstrukcję procesów CO2-ESGR w warunkach in situ w skali makro. Rezultatem projektu będą wyniki tych symulacji, które umożliwią określenie czasowego i przestrzennego tempa procesu CO2-ESGR w warunkach terenowych. To z kolei umożliwi ocenę wykonalności i możliwości zastosowania tej technologii w Polsce.
Osoba kontaktowa: dr hab. inż. Mateusz Kudasik, prof. IMG PAN
„Zagrożenie zapadliskami i zarządzanie ryzykiem na terenach pogórniczych” (SIRIMA)
Źródło dofinansowania: unijny Fundusz Węgla i Stali (RFCS) oraz Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego (grant 5997/FBWiS/2024/2).
Zadanie finansowane z budżetu państwa w ramach w ramach programu pod nazwą „Projekty Międzynarodowe Współfinansowane”
Wartość dofinansowania: 476 898 zł, całkowita wartość zadania: 1 324 719 zł
Opis zadania: Projekt koncentruje się na zwiększaniu wiedzy i doświadczenia związanego z występowaniem i skutkami zagrożenia zapadliskowego terenów pogórniczych oraz doskonalenia narzędzi oceny ryzyka związanego z możliwością ich wystąpienia w obszarach zlikwidowanych zakładów górniczych na terenie UE. Projekt SIRIMA koncentruje się na zagrożeniu zapadliskowym, głównym zagrożeniu, na jakie narażone są regiony węglowe znajdujące się w fazie przejściowej, w których istniało płytkie kopalnictwo złóż węgla kamiennego i wynikającym z tego ryzyku uszkodzeń budynków, infrastruktury lub zagrożeniu dla ludzi. W celu identyfikacji tych zagrożeń planuje się realizację szeregu zadań badawczych. Prace te obejmą m.in. utworzenie nowego systemu monitoringu stanu środowiska w obszarze aktywnym zapadliskowo (obszar byłej KWK Siersza) przez instalację systemu sejsmologicznego, hydrologicznego, okresowe badania grawimetryczne oraz kontynuację prac w obszarze byłej KWK Kazimierz-Juliusz z wykorzystaniem infrastruktury wytworzonej w projekcie POSTMINQUAKE. Przeprowadzone zostaną modelowe badania zmian w interakcji grunt-konstrukcja (budynek, zakopany rurociąg itp.) wynikające z ruchów gruntu (osiadanie, zapadlisko, wypiętrzenie itp.) prowadzone przez doświadczonych partnerów projektu. Zjawisko to (interakcja grunt-konstrukcja) uwzględnia sztywność podłoża i konstrukcji, w celu lepszej oceny ruchów przenoszonych na konstrukcję i ich konsekwencji (awarie lub uszkodzenia). Kwestia ta nie była dotychczas wyraźnie poruszona w odniesieniu do istniejących budynków na terenie byłych kopalń węgla kamiennego.
Efektem realizacji projektu będą międzynarodowe wytyczne, opracowane dla obszarów pogórniczych w Europie, wskazujące sposoby monitorowania i przeciwdziałania występowaniu zagrożenia zapadliskowego, wynikającego z zakończonej eksploatacji górniczej.
Strona internetowa projektu: www.sirima.gig.eu
Osoba kontaktowa: prof. dr hab. inż. Krzysztof Tajduś
„Ograniczenie emisji metanu z powietrza wentylacyjnego w procesie transformacji górnictwa węglowego” (ProVAM)
Źródło dofinansowania: unijny Fundusz Węgla i Stali (RFCS) oraz Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego (grant 5734/FBWiS/2024/2).
Zadanie finansowane z budżetu państwa w ramach w ramach programu pod nazwą „Projekty Międzynarodowe Współfinansowane”
Tytuł zadania: „Ograniczenie emisji metanu z powietrza wentylacyjnego w procesie transformacji górnictwa węglowego”
Wartość dofinansowania: 528 678 zł, całkowita wartość zadania: 1 468 551 zł
Opis zadania: Celem projektu jest osiągnięcie postępu we wdrożeniu technologii utylizacji metanu emitowanego przez szyby wydechowe kopalń węgla dzięki badaniom in-situ, laboratoryjnym i modelowaniu realizowanym przez międzynarodowe konsorcjum placówek badawczych i przemysłowych oraz uczelni.
Osoba kontaktowa: dr hab. inż. Jerzy Krawczyk, prof. IMG PAN
Projekty dofinansowane ze środków budżetu państwa w ramach przedsięwzięcia „Premia na Horyzoncie 2”
PICTO
Tytuł zadania: „Ograniczenie ryzyka środowiskowego w trakcie eksploatacji węgla metodą ścianową w kopalniach węgla kamiennego i brunatnego akronim PICTO”
Wartość dofinansowania i całkowita wartość zadania: 514 950 zł
Opis zadania: Finasowaniu podlegają dodatki do wynagrodzeń dla osób biorących udział w projekcie pt.: „Ograniczenie ryzyka środowiskowego w trakcie eksploatacji węgla metodą ścianową w kopalniach węgla kamiennego i brunatnego akronim PICTO” realizowanego w ramach Funduszu Badawczego Węgla i Stali (RFCS), na podstawie umowy nr 800711/2018; oraz programu Projekty Międzynarodowe Współfinansowane, na podstawie umowy 531739/PnH2/2021.
i2MON
Tytuł zadania: „Zintegrowany monitoring wpływu prac górniczych na środowisko akronim I2MON”
Wartość dofinansowania i całkowita wartość zadania: 196 582 zł
Opis zadania: Finasowaniu podlegają dodatki do wynagrodzeń dla osób biorących udział w projekcie pt.: „Zintegrowany monitoring wpływu prac górniczych na środowisko akronim I2MON” realizowanego w ramach Funduszu Badawczego Węgla i Stali (FBWiS), na podstawie umowy nr 800689; oraz programu Projekty Międzynarodowe Współfinansowane, na podstawie umowy 540032/PnH 2/2022.
MERIDA
Tytuł zadania: „Zarządzanie ryzykiem środowiskowym w trakcie i po zamknięciu kopalń akronim MERIDA”
Wartość dofinansowania i całkowita wartość zadania: 271 992 zł
Opis zadania: Finasowaniu podlegają dodatki do wynagrodzeń dla osób biorących udział w projekcie pt.: „Zarządzanie ryzykiem środowiskowym w trakcie i po zamknięciu kopalń akronim MERIDA” realizowanym w ramach Funduszu Badawczego Węgla i Stali (RFCS-2020), na podstawie umowy nr MERIDA RFCR-CT-2015-00004; oraz programu Projekty Międzynarodowe Współfinansowane, na podstawie umowy 531739/PnH2/2022.
Sorpcja wymienna CO2/CH4 na materie węglowym w stanie obciążenia okólnego
NCN, OPUS 12, 2016/23/B/ST8/00744,
Jednostka realizująca: Instytut Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk
Kierownik projektu : dr hab. Norbert Skoczylas
Przyznana kwota: 611 500 PLN, Rozpoczęcie: 2017-10-18, Zakończenie: 2021-10-17
1. Cel prowadzonych badań / hipoteza badawcza
Celem prowadzonych prac będzie zbadanie przebiegu i mechanizmu sorpcji wymiennej CO2/CH4 w materiale węglowym, znajdującym się w warunkach obciążenia okólnego. Planowane badania obejmą szereg problemów naukowych do rozwiązania. Umożliwią m.in. gruntowną analizę zmian pojemności sorpcyjnych i objętości (pęcznienie/kurczenie sorpcyjne) próbki węglowej przy różnych ciśnieniach okólnych dla poszczególnych punktów równowagi sorpcyjnej oraz analizę zmian jakościowych i ilościowych mechanizmu sorpcji wymiennej przy różnym obciążeniu okólnym i różnym gradiencie ciśnienia. Określony zostanie ponadto wpływ procesu sorpcji wymiennej CO2/CH4 na materiale węglowym w stanie obciążenia okólnego, na jego właściwości strukturalne.
2. Zastosowana metoda badawcza / metodyka
Plan badawczy obejmuje główne badania sorpcyjne, tj.: analizę przebiegu procesów sorpcji wymiennej CO2/CH4 na próbce węglowej, efektywność wymiany gazów sorbowanych, kinetykę przemieszczania się strefy wymiany w próbce w warunkach obciążenia okólnego, pęcznienie sorpcyjne oraz dodatkowe badania zmian powstałych w strukturze porowatej próbki. Główne badania sorpcyjne zrealizowane będą z wykorzystaniem izobaryczno-izotermicznej metody wolumetrycznej oraz przepływowej metody przy zachowaniu stałego gradientu ciśnienia gazu. Do badań tych skonstruowana zostanie unikatowa autorska aparatura, która, realizując poszczególne cele badawcze, umożliwi kompleksową ocenę wpływu obciążenia okólnego na parametry układu węgiel-gaz w warunkach izotermicznych i izobarycznych.
Przed i po głównych badaniach sorpcyjnych wybrane próbki węglowe poddane zostaną analizom technicznym i strukturalnym. Do dodatkowych badań strukturalnych zastosowana zostanie metoda skaningowej mikroskopii elektronowej, która umożliwi obserwację zmian topografii powierzchni próbek i określi ich skład fazowy. Do charakterystyki zmian struktury porowatej próbek wykorzystana zostanie porozymetria rtęciowa, niskociśnieniowa adsorpcja gazowa oraz piknometria helowa. Metody te pozwolą na określenie zmian w porowatości, wielkości i dystrybucji porów w próbkach po badaniach sorpcji wymiennej pod obciążeniem.
3. Wpływ spodziewanych rezultatów na rozwój nauki, cywilizacji, społeczeństwa
Mechanizm procesów sorpcyjnych w węglu jest przedmiotem badań naukowych od wielu lat. Dobrze rozpoznane są procesy sorpcji pojedynczych gazów oraz ich mieszanin na materiale węglowym. Prowadzone były badania sorpcji gazów na materiale węglowym pod obciążeniem. Dogłębny przegląd literatury wykazał, że tematyką jak dotąd nierozpoznaną jest zagadnienie sorpcji wymiennej CO2/CH4 na materiale węglowym w stanie obciążenia okólnego.
Mnogość zależności, które w trakcie procesów sorpcyjnych w stanie obciążenia okólnego sorbentu węglowego mogą zostać zarówno zaobserwowane eksperymentalnie, jak i oszacowane ilościowo, to brakujące ogniwo szeroko pojętych badań układu węgiel-gaz. Z całą pewnością unikatowa jest propozycja przebadania sorpcji wymiennej CO2/CH4 w warunkach obciążenia okólnego węgla z uwzględnieniem czynnika czasu i przestrzeni. Badania takie przewidziane są w ramach realizacji niniejszego projektu. Rezultatem realizacji projektu będzie szczegółowy opis relacji: sorpcja wymienna – obciążenie okólne sorbentu – sorpcyjne pęcznienie sorbentu.
Aparatura badawcza zbudowana w ramach realizacji projektu.
Przykładowe wyniki zarejestrowane w trakcie eksperymentów wymiany sorpcyjnej.
„Integrated Mining Impact Monitoring (i2MON)”
Okres realizacji: 1.07.2018 — 30.08.2022.
Źródło dofinansowania: unijny Fundusz Węgla i Stali (RFCS).
Uczestnicy projektu:
- Instytut Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk — koordynator projektu:
- Pracownia Metrologii Przepływów,
- Pracownia Odkształceń Skał,
- Pracownia Wentylacji Kopalń.
- DMT GmbH & Co. KG (Niemcy),
- EFTAS Fernerkundung Technologietransfer GmbH (Niemcy),
- Technische Universiteit Delft (Holandia),
- Hochschule Mainz — University of Applied Sciences (Niemcy),
- Technische Universität Bergakademie Freiberg (Niemcy),
- Laserdata GmbH (Austria),
- Lausitz energy Bergbau AG (Niemcy),
- Airbus Defence & Space GmbH (Niemcy),
- Polska Grupa Górnicza S.A. (Poland).
Strona internetowa projektu: http://i2monproject.eu/
Osoba kontaktowa: prof. dr hab. inż. Krzysztof Tajduś
„Production Face Environmental Risk Minimisation in Coal and Lignite Mines” (PICTO)
Umowa nr 800711
Okres realizacji: 1.09.2018 — 31.08.2021.
Źródło dofinansowania: unijny Fundusz Węgla i Stali (RFCS) oraz Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego (grant W93/FBWiS/2018).
Uczestnicy projektu:
- Instytut Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk — koordynator projektu:
- Pracownia Metrologii Przepływów,
- Pracownia Mikromerytyki,
- Pracownia Wentylacji Kopalń.
- Główny Instytut Górnictwa (Polska),
- Imperial College London (Wielka Brytania),
- Eickhoff Bergbautechnik GmbH (Niemcy),
- Premogovnik Velenje (Słowenia),
- Polska Grupa Górnicza S.A. (Polska).
Celem projektu jest opracowanie prototypu układu sterowania pracą kombajnu w ścianie wydobywczej w celu wyeliminowania lub minimalizowania niepożądanych i nieplanowanych przestojów w produkcji ze względu na przekroczenia dopuszczalnych wartości emisji gazów w rejonach wydobywczych w głębinowych kopalniach węgla kamiennego i brunatnego poprzez monitorowanie procesu produkcji i środowiska i odpowiednią do tych warunków regulację pracy urządzeń.
Sprawozdania z projektu:
Osoba kontaktowa: dr hab. inż. Jerzy Krawczyk, prof. IMG PAN
„Zarządzanie ryzykiem środowiskowym w trakcie i po zamknięciu kopalń”(MERIDA)
Numer: RFCR-CT-2015-00004
Okres realizacji: 15.12.2015 — 15.12.2019.
Źródło dofinansowania: unijny Fundusz Węgla i Stali (RFCS) oraz Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego (grant 3582/FBWiS/2016/2).
Zarządzanie ryzykiem środowiskowym w trakcie i po zamknięciu kopalń akronim MERIDA
Zadanie dofinansowano ze środków budżetu państwa w ramach przedsięwzięcia „Premia na Horyzoncie 2”
Tytuł zadania: „Zarządzanie ryzykiem środowiskowym w trakcie i po zamknięciu kopalń akronim MERIDA”
Wartość dofinansowania i całkowita wartość zadania: 271 992 zł
Opis zadania: Finasowaniu podlegają dodatki do wynagrodzeń dla osób biorących udział w projekcie pt.: „Zarządzanie ryzykiem środowiskowym w trakcie i po zamknięciu kopalń akronim MERIDA” realizowanym w ramach Funduszu Badawczego Węgla i Stali (RFCS-2020), na podstawie umowy nr MERIDA RFCR-CT-2015-00004; oraz programu Projekty Międzynarodowe Współfinansowane, na podstawie umowy 531739/PnH2/2022
Uczestnicy projektu:
- Główny Instytut Górnictwa — koordynator projektu,
- Instytut Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk:
- Pracownia Odkształceń Skał,
- Pracownia Wentylacji Kopalń.
- DMT GmbH & Co. KG (Niemcy),
- Imperial College London (Wielka Brytania),
- University of Exeter (Wielka Brytania),
- University of Oviedo (Hiszpania),
- Technical University of Ostrava (Czechy),
- HUNOSA (Hiszpania),
- French National Institute for Industrial Environment and Risks (Francja),
- Kompania Węglowa S.A. (od 2016 roku — Polska Grupa Górnicza S.A.).
Celem projektu jest opracowanie metodologii zarządzania ryzykiem występującym podczas i po zamknięciu kopalni węgla w zakresie wpływu na środowisko oraz opracowanie zintegrowanego podejścia, które pozwoli przemysłowi na wdrożenie metodologii w dowolnym miejscu. MERIDA opracuje podręcznik najlepszych praktyk, który będzie stosowany przez przemysł i decydentów w celu systematycznej oceny głównych zagrożeń środowiskowych zamknięcia, zarówno pod względem jakościowym, jak i ilościowym.
IMG PAN realizował zadania związane z zagrożeniami osiadaniami i wypiętrzeniami oraz emisją gazów.
Osoba kontaktowa: dr hab. inż. Jerzy Krawczyk, prof. IMG PAN
