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.
Wybrane ciekawsze fragmenty, wnioski
Niskotemperaturowe, otwarte systemy ATES tymczasowo przechowują nadmiar energii cieplnej, (czasami nazywanej „ciepłem odpadowym”) w głębszych warstwach wodonośnych, w celu ponownego jej odzyskania, a następnie wykorzystania głównie do celów grzewczych. ATES pozwala na efektywne wykorzystanie ciepła procesowego z obiektów klimatyzowanych, elektrowni, turbin parowych i innych źródeł ciepła odpadowego. ATES jest aktywny tylko w odpowiednich porach roku. Ilość ciepła, którą system traci, jest utrzymywana na minimalnym poziomie, co zapewnione jest poprzez dobranie warstw wodonośnych o odpowiednio niskim natężeniu przepływu wód podziemnych (Sanner, 1998). W otwartych systemach ATES woda podziemna przepływa przez wymiennik ciepła, ułatwiając transfer energii do systemu ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) budynku w celu natychmiastowego wykorzystania. Ten typ systemu jest zwykle używany jako pompa ciepła. Systemy o obiegu otwartym są proste do wdrożenia, nazywane również systemami „pompuj i zrzucaj” lub „pompuj i uwalniaj”. Zapewniają one efektywność energetyczną, która jest porównywalna z efektywnością systemów o obiegu zamkniętym w zastosowaniach komercyjnych lub instytucjonalnych, ale przy znacznie niższych kosztach kapitałowych (Wang and Shang, 2023). Kluczową rolą w określeniu, czy ATES może być wykorzystane do chłodzenia w okresie letnim odgrywa temperatura w warstwie wodonośnej oraz głębokość, na jakiej się znajduje. Woda, która jest pompowana do warstw wodonośnych, pochodzi ze specjalnie wierconych otworów. Znaczący wpływ na głębokość, rozstaw i średnicę tych otworów ma charakter warstwy wodonośnej (wydajność jednostkowa, zawartość Fe i Mn oraz natężenie przepływu) (Sommer i in., 2013). W systemach ATES zimny otwór pobiera zimną wodę z warstwy wodonośnej i pompuje ją bezpośrednio do budynku podczas cieplejszych miesięcy letnich. Ciepły otwór to miejsce, w którym ponownie wtłoczona gorąca woda jest przechowywana do następnej zimy. W chłodniejszych miesiącach, w celu otrzymania temperatury niezbędnej do ogrzewania pomieszczeń, wykorzystuje się dodatkowo pompy ciepła. Poza podwójnymi systemami (dubletami) testowane są również systemy potrójne (triplety) (Bloemendal i in., 2022), z wykorzystaniem paneli fotowoltaicznych wtłaczających ciepło do warstwy wodonośnej w porze letniej. Temperatura wody wtłaczanej przez ciepły otwór w klimacie umiarkowanym wynosi zwykle od 15 do 18 stopni Celsjusza (rys. 1), podczas gdy temperatura wody wtłaczanej przez zimny otwór wynosi od 5 do 10 stopni Celsjusza (Duijeff, 2023). Temperatura wody wtłaczanej latem z systemów wykorzystujących panele fotowoltaiczne wynosi 40–70 stopni Celsjusza (rys. 2).
-
Rys. 1. Schemat działania systemów ATES (Chiasson, 2016)
Rys, 2. Schemat działania tripletu ATES (Bloemendal i in., 2022)
Systemy ATES działające w temperaturach powyżej 90 stopni Celsjusza (Schlupper i in., 2019) mają duży niewykorzystany potencjał i są technologią, która jest zorientowana na przyszłość oraz zrównoważona, co czyni je doskonałymi do wsparcia i promocji. Tego typu system ATES wtłacza wodę o temperaturze 88 stopni Celsjusza w Zwammerdam, w Holandii (Snijders, 2023). Analiza głębokich systemów ATES w Holandii wykazała, że głównymi elementami wpływającymi na skuteczność tych systemów nie są cechy instalacji magazynowej, ale raczej stopień zapotrzebowania na ciepło w regionie.Oprócz Szwecji, Holandii, Niemiec, Belgii i innych krajów europejskich, wiele instalacji ATES funkcjonuje obecnie poza Europą (USA, Kanada, Chiny, Indie). Głębokie, wysokotemperaturowe magazynowanie było zlokalizowane w Neubrandenburgu, w Niemczech. Projekt wtłaczał około 20 MW nadmiaru sezonowego ciepła z elektrowni cieplnej do warstwy wodonośnej położonej 1250 m pod powierzchnią terenu. Do warstwy wodonośnej wtłaczana była woda o temperaturze 85–90°C z wydajnością 28 l/s. Naturalna woda podziemna znajdująca się w utworach piaskowcowych miała temperaturę 55°C i TDS 135 g/l. System ATES powodował obniżenie temperatury do 70°C; a jego wydajność wynosiła około 0,75 l/s. Niestety, zakład został wyłączony (Wang, Shang, 2023).Jednokierunkowe zatłaczanie ciepła odpadowego może wywołać postępujące ocieplanie warstwy wodonośnej, co ostatecznie może doprowadzić do degradacji jakości wody w warstwie wodonośnej i zmniejszenia wydajności systemu chłodzenia. Dlatego główną zaletą ATES jest możliwość ominięcia i stopniowego ocieplania się warstwy wodonośnej poprzez wykorzystanie ciepła odpadowego do wentylacji i podgrzewania powietrza przez całą zimę (Wang, Shang, 2023).Holandia jest prawdopodobnie najbardziej zaawansowanym technologicznie krajem w tym sektorze. Zastosowanie ATES zostało tam również dokładnie zbadane. Około 80% zastosowań dotyczy szpitali, kompleksów biurowych i kompleksów handlowych. Pozostałe 10% służy celom chłodzenia w sektorach przemysłowym i rolniczym (Su i in., 2023).Od 1998 r. liczne przedsiębiorstwa w Belgii wykazały zainteresowanie technologią ATES, jednak zainteresowanie to nie przełożyło się na stały wzrost liczby ukończonych projektów. Za to zjawisko w głównej mierze odpowiadają warunki hydrogeologiczne. Instalacje ATES mają doskonały potencjał technologiczny i ekonomiczny w północno-wschodnim regionie Belgii. Jednak główne okręgi gospodarcze i przemysłowe znajdują się w południowej części Belgii, gdzie warstwy geologiczne zbudowane są z łupków sylurskich i skał dewońskich charakteryzujących się bardzo niską porowatością (Chiasson, 2016).Ponieważ płytkie ATES mają niższe koszty wiercenia i większą pojemność magazynową ze względu na większą różnicę temperatur między wodą gruntową a wodą ponownie zatłaczaną, płytkie ATES uznawane są za bardziej opłacalne niż głębsze systemy magazynowania ciepła (Wang, Shang, 2023).Szacuje się, że na całym świecie działa obecnie kilka tysięcy płytkich systemów ATES (Shah, 2024).
