Co to jest system ATES
Marek Hajto, Monika Konieczyńska, publ. styczeń 2025
Magazynowanie ciepła i chłodu w warstwach wodonośnych, zwane w skrócie ATES (od angielskiego sformułowania aquifer thermal energy storage) jest coraz powszechniej wykorzystywaną na świecie metodą gospodarowania ciepłem, która umożliwia magazynowanie energii cieplnej pochodzącej z różnych źródeł w poziomach wodonośnych z wykorzystaniem wód podziemnych jako nośnika tejże energii. Ciepło magazynowane jest w wodzie podziemnej w obrębie warstwy wodonośnej oraz w szkielecie skalnym tejże warstwy.
Systemy ATES mogą wykorzystywać poziomy wodonośne na różnych głębokościach, przy czym należy pamiętać, że temperatura w górotworze wzrasta wraz z głębokością. Dlatego w głębokich poziomach wodonośnych możemy stosować systemy wysokotemperaturowe, tzw. HT-ATES (ang. high temperature ATES), służące głównie do magazynowania ciepła w znaczeniu potocznym. W płytkich warstwach litosfery temperatury naturalne są niskie, dlatego bardziej racjonalne jest magazynowania ciepła zmieniając nieznacznie naturalną temperaturę wód w warstwie wodonośnej. Takie niskotemperaturowe systemy nazwane zostały LT-ATES (ang. low temperature ATES) i mogą być wykorzystywane do magazynowania zarówno ciepła jak i chłodu w rozumieniu potocznym.
Rys historyczny metody ATES
Gérard Lemoine, publ. styczeń 2025
Metoda magazynowania energii cieplnej w warstwach wodonośnych (ang. Aquifer Thermal Energy Storage ATES) pojawiła się pierwszy raz w latach 60. XX wieku w Chinach, w regionie Szanghaju, w strefach przemysłowych wyspecjalizowanych w włókiennictwie. Technologia została odkryta przypadkowo, przy okazji prób zasilania warstw wodonośnych w celu zapobiegania osiadaniu terenów, które to osiadanie było wynikiem niekontrolowanej i nadmiernej eksploatacji wód podziemnych (Luxiang i Manfang, 1984; Wu i in.. 2000). W wyniku tych prac stwierdzono wysoki potencjał energetyczny wód podziemnych i możliwość wykorzystania tego do magazynowania ciepła bezpośrednio w warstwach wodonośnych w połączeniu z wykorzystaniem wód do chłodzenia obiektów przemysłowych. Pierwsze wdrożenia systemu zrealizowano w zakładach włókienniczych, potem, stopniowo, również w innych branżach.
Zastosowanie magazynowania typu ATES w sieciach grzewczo−chodniczych
Marek Hajto, Bartłomiej Ciapała, publ. październik 2024
Wykorzystanie ATES w sieciach ciepłowniczych nie jest jeszcze popularne. Ponieważ ATES może zapewnić nie tylko ogrzewanie, ale także chłodzenie, jest obiecującym źródłem dla przyszłych sieci grzewczo-chłodniczych (ang district heating and cooling – DHC). Aby magazynowanie ciepła i chłodu można było wykorzystać w sieciach DHC, można wziąć pod uwagę większe instalacje. Według Guelpa i Verda (2019) połączenie ATES z DHC skutkuje zmniejszeniem określonych kosztów kapitałowych wraz ze wzrostem wielkości systemu.
Jaka jest moc systemów ATES i ile energii można z nich pozyskać?
Karol Pierzchała, Maciej Miecznik (IGSMiE PAN), publ. grudzień 2024 r.
Systemy ATES dzielą się na systemy nisko, średnio oraz wysokotemperaturowe. Wyznacznikiem, który kategoryzuje dany magazyn jest temperatura gromadzonego ciepła w warstwie wodonośnej (początkowo równa temperaturze zatłaczanej wody). W literaturze istnieje kilka kategorii temperaturowych które dokonują podziału magazynów ATES. Systemy niskotemperaturowe pracują zazwyczaj poniżej temperatury 30°C i ulokowane są raczej w płytkich warstwach wodonośnych (Kleyböcker i in., 2023; Fleuchaus i in., 2018). Sposób pracy systemu ATES w zależności od trybu, został przedstawiony na rysunku 1.
ATES - czy to jest opłacalne?
Magdalena Tyszer, Maciej Miecznik (IGSMiE PAN), publ. grudzień 2024
Przegląd literatury
Lidia Razowska-Jaworek, publ. grudzień 2024
Publikacje i dostępne opracowania (w języku angielskim) dotyczące systemów ATES są coraz bardziej liczne, od kilkunastu w latach 80-tych, po kilkadziesiąt w latach 2000–2015, do kilkuset w ostatnich 10 latach.
W pracach tych poruszane są głównie zagadnienia dotyczące:
-
- warunków hydrogeologicznych: identyfikacja odpowiednich warstw wodonośnych, w tym ich porowatości, przepuszczalności i pojemności magazynowania, jakości wód;
- efektywności energetycznej i wpływu na środowisko: badania oceniające korzyści dla środowiska, takie jak zmniejszona emisja gazów cieplarnianych w porównaniu z tradycyjnymi metodami magazynowania energii i efektywność energetyczna;
- studia przypadków: przykłady systemów ATES działających w Europie, Ameryce Północnej i Azji, podkreślające specyfikacje projektowe, wyniki i wyzwania;
- integracja systemów ATES z innymi źródłami energii odnawialnej: badania nad tym, w jaki sposób systemy ATES można zintegrować z energią słoneczną czy wiatrową, w celu poprawy stabilności systemu i efektywności magazynowania;
- wykonalność ekonomiczna: oceny finansowe kosztów kapitałowych i operacyjnych związanych z konfiguracją i konserwacją systemów ATES;
- modelowanie i symulacja: badania modeli termodynamicznych i hydrogeochemicznych, które przewidują zachowanie systemów wodonośnych w różnych warunkach.
