Ekspert

Kopalnie głębinowe w celu utrzymania w ruchu wymagają odwadniania to znaczy wypompowania na powierzchnię wody napływającej do podziemnych wyrobisk. Woda ta pochodzi zarówno z naturalnej penetracji wód występujących w górotworze, jak i z procesów technologicznych prowadzonych w podziemiach kopalni, jak na przykład rozpylanie wody w pobliżu pracującego kombajnu mające na celu ograniczenie zapylenia. Gdyby zaprzestać odwadniania to po pewnym czasie kopalnia zostałaby wypełniona wodą do poziomu odpowiadającemu położeniu zwierciadła wód gruntowych. Oprócz kopalń czynnych, występują również kopalnie w których zaprzestano wydobycia, niejednokrotnie częściowo lub całkowicie zalane. W celu zapewnienia bezpieczeństwa sąsiednich kopalń czynnych, odwadnianie kopalń zlikwidowanych musi być kontynuowane,

Ponoszenie kosztów na odwadnianie jest zatem nieuniknione dla umożliwienia bezpiecznej eksploatacji kopalń. Rzecz w tym aby koszty odwaniania nie przewyższały uzasadnionego technicznie poziomu, co niestety nie zawsze ma miejsce. Poziom kosztów odwadniania ma znaczenie dla wyniku finansowego firm górniczych. Oprócz aspektu ekonomicznego wymiar ogólnospołeczny posiada też aspekt ekologiczny. Łączna moc zużywana na odwadnianie kopalń jest tego rzędu, że można stwierdzić iż co najmniej jeden blok energetyczny w elektrowni pracuje wyłącznie na ten cel. Jak wiadomo produkcja energii elektrycznej nieuchronnie wiąże się z zagrożeniem dla środowiska w postaci między innymi emisji CO₂ oraz odpadów ze spalania paliwa, które wymagają składowania. Moc zużywana na odwadnianie kopalń jest tego rzędu, że stanowi poważny czynnik zagrażający środowisku, a zatem stanowi problem społeczny wykraczający poza górnictwo.

Moc niezbędna do odwadniania kopalni zależy od dwuch zasadniczych parametrów: ilości wody w jednostce czasu, jaką należy odpompować, która przekłada się na wymaganą wydajność pomp oraz od głębokości kopalni, która wpływa na tak zwaną wysokość podnoszenia pomp. W znaczącym stopniu na moc wpływa też ciężar właściwy pompowanej wody zależny m.in. od stopnia jej zasolenia i zanieczyszczenia. Typowe parametry górniczej pompy głównego odwadniania to wydajność rzędu 500 m³/h i wysokość podnoszenia rzędu 700 m. Przy takich parametrach, dla typowego stopnia zanieczyszczenia wody minimalna moc wymagana do napędu pompy wynosi około 1 MW. Jest to moc teoretyczna, jaką pobierałaby idealna pompa pracująca bez jakichkolwiek strat. Wynika ona z praw fizyki, gdyż energia potrzebna do podniesienia wody o określonej masie na określoną wysokość jest ustalona. Poniżej tego poboru mocy nie da się zejść przy zastosowaniu żadnych rozwiązań technicznych. W praktyce pompy pobierają moc większą od teoretycznie wymaganej, gdyż rzeczywiste maszyny zawsze pracują nie według idealnego modelu teoretycznego lecz z pewnymi stratami wynikającymi między innymi z występowania tarcia i innych nieuchronnych zjawisk fizycznych.

Parametrem charakteryzującym pompę pod tym względem jest jej tzw. sprawność energetyczna, która wskazuje jaki procent całkowitej mocy pobieranej przez pompę stanowi pobór niezbędny z teoretycznego punktu widzenia. Pozostała część mocy jest w pompie tracona. Dla przykładu, sprawności energetyczne nowoczesnych pomp o parametrach określonych wyżej są na poziomie 80%. Oznacza to, że jeśli teoretyczny poziom poboru mocy wynosi wspomniany 1 MW, to pompa pobiera moc 1.25 MW (1 MW to 80% z 1.25 MW). Mowa tu o sprawności nowej maszyny, gdyż sprawność pompy w trakcie eksploatacji nieuchronnie spada. Wynika to między innymi ze wspomnianego zanieczyszczenia wód kopalnianych solami oraz ciałami stałymi powodującymi intensywną korozję oraz mechaniczne zużycie zasadniczych elementów pomp. Sprawność energetyczna silnie wyeksploatowanej pompy może spaść do poziomu 50-60%, co dla parametrów podawanych w powyższym przykładzie oznaczałoby wzrost poboru do 1.66 – 2 MW. W praktyce dla pojedynczej pompy w trakcie postępowania zużycia nie obserwuje się wzrostu poboru mocy, co wynika z faktu, ż pompa traci wydajność i pompuje mniej wody niż pompa nowa, a zatem pomimo pogarszającej się sprawności nie wykazuje dramatycznego wzrostu poboru mocy. Pamiętać jednak należy, że na koszt pompowania nie wpływa pobór mocy lecz jej zużycie wynikające z przemnożenia poboru mocy przez czas pracy pompy. Wyeksploatowana pompa aby wypompować tę samą ilość wody co pompa nowa musi pracować dłużej, a zatem zużycie energii przez nią rośnie w stopniu odpowiadającym spadkowi sprawności.

Z powyższych faktów wynika wniosek, że o poziomie kosztów odwadniania kopalń decyduje głównie polityka remontowa. Na koszt odwadniania, mówiąc w pewnym przybliżeniu składają się bowiem dwa zasadnicze elementy: początkowe nakłady inwestycyjne oraz koszty eksploatacji, na które z kolei składają się koszty energii elektrycznej, koszty obsługi oraz koszty remontów. Można wykazać, że efekt ekonomiczny zależy w pierwszym rzędzie od zużycia energii elektrycznej. Koszt zakupu zespołu pompowego o parametrach zbliżonych do wyżej podanych jest rzędu kilkuset tysięcy złotych. Koszt obsługi pompy odpowiada w przybliżeniu kosztowi utrzymywania jednego etatu, a zatem wynosi kilkadziesiąt tysięcy rocznie. Pompa głównego odwadniania pracuje z reguły około 10 godzin na dobę, czyli 3650 godzin w ciągu roku. Jeśli jej zużycie mocy wynosi 1.25 MW, a koszt 1 kWh przyjąć jako 30 groszy to koszt energii zużytej przez pompę w ciągu roku wynosi 1,37 mln zł. Jest to wartość dla nowoczesnej pompy znajdującej się w bardzo dobrym stanie technicznym posiadającej sprawność 80%. Natomiast jeśli pompa posiada sprawność obniżoną do 60%, to roczny koszt zużycia energii rośnie do 1.82 mln zł, czyli o 450 tys. zł. Zwiększenie kosztu energii zużytej przez pompę jest zatem znacznie większe od kosztu obsługi i jest zbliżone do kosztu zakupu nowego zespołu pompowego.

Jak widać z proporcji kosztu zakupu pompy i kosztu zużycia energii wpływ nakładów inwestycyjnych nie jest decydujący. Na etapie zakupu nowej pompy należy oczywiście upewnić się, że jej sprawność energetyczna jest na odpowiednio wysokim poziomie, co z reguły ma miejsce w przypadku poważnych producentów pomp głównego odwadniania. Oprócz sprawności początkowej należy brać pod uwagę tempo, w jakim sprawność obniża się w trakcie eksploatacji. Tempo to zależy od konstrukcji pompy, jakości jej wykonania oraz użytych materiałów i może się różnić istotnie dla różnych producentów.

Znaczenie właściwej gospodarki remontowej dla kosztów odwadniania kopalń jest zwiększone przez fakt, że polskie kopalnie są od dawna wyposażone w pompownie, a nowe inwestycje zdarzają się stosunkowo rzadko. W praktyce eksploatowane są w większości pompy pracujące od wielu lat, niejednokrotnie całkowicie zamortyzowane. W tej sytuacji o kosztach odwadniania decydują praktycznie dwa zasadnicze czynniki: koszt prowadzenia remontów oraz koszt zużywanej energii. Koszt remontu pompy głównego odwadniania stanowi, w zależności od zakresu, pewien procent wartości pompy nowej i waha się od kilkudziesięciu do kilkuset tysięcy złotych. W każdym wypadku jest on jednak wielokrotnie niższy od kosztu zużycia energii. Koszt remontu ma wpływ na sprawność energetyczną pompy uzyskaną po remoncie. Podejmując decyzję o zleceniu remontu nie należy się kierować jedynie ceną tej usługi lecz w pierwszym rzędzie brać pod uwagę efekt w postaci uzyskanej sprawności energetycznej. Może się bowiem zdarzyć, że uzyskanie kilkudziesięciu tysięcy złotych oszczędności na koszcie remontu skutkuje kilkuset tysiącami strat na koszcie energii elektrycznej. Kryterium wyboru wykonawcy remontu nie może być zatem jedynie cena lecz w co najmniej równym stopniu uzyskane po remoncie parametry energetyczne. Przy zlecaniu remontu powinien bezwzględnie obowiązywać wymóg sprawdzenia sprawności energetycznej na odpowiednim stanowisku pomiarowym.

Zrozumienie powyższych faktów i wdrożenie ich w praktyce leży nie tylko w interesie kopalń lecz również, jak wykazano, służy ochronie środowiska.

Dr Inż. Grzegorz Pakuła