ATES - czy to jest opłacalne?

Magdalena Tyszer, Maciej Miecznik (IGSMiE PAN), publ. grudzień 2024

Systemy ATES dzielą się na niskotemperaturowe (LT-ATES) - które są znacznie bardziej popularne, oraz wysokotemperaturowe (HT-ATES), które są coraz częściej przedmiotem badań naukowych i wdrożeń, ale pod względem liczebności wyraźnie ustępują klasycznym - niskotemperaturowym rozwiązaniom. W poniższym wpisie zostaną przedstawione uwarunkowania wpływające na opłacalność systemów LT-ATES, a także na bazie doświadczeń europejskich zostaną przedstawione szacowane koszty inwestycyjne i operacyjne oraz oczekiwany czas zwrotu tego rodzaju przedsięwzięć.
 

Rozmiar instalacji silnie wpływa na koszty inwestycyjne i koszty jednostkowe systemów ATES. Na podstawie informacji dostępnych z rynku holenderskiego można wskazać, że dla małych instalacji o mocach rzędu 200 kW koszt jednostkowy wynosi około 600 – 900 EUR/kW, natomiast dla instalacji dużych, rzędu kilku MW, już kształtuje się na poziomie od 200 do 300 EUR/kW (Fleuchaus 2021).

Moc systemów ATES waha się od 0,1 do 0,3 MW dla rozwiązań małoskalowych, do nawet 20 MW dla systemów wielkoskalowych, jaką jest instalacja składająca się z 36 otworów na terenie kampusu Uniwersytetu Technicznego w Eindhoven (Godschalk i in. 2019). Wydajność grzewcza i chłodnicza instalacji ATES zależy od kilku czynników, spośród których najważniejsze to liczba studni, ich wydajność oraz parametry zasilania i powrotu z instalacji odbiorcy ciepła / chłodu, które determinują z kolei różnicę temperatur pomiędzy studniami ciepłymi i zimnymi. Fleuchaus i in. (2021) w swojej publikacji przedstawiają wyliczenia na podstawie 77 wybranych systemów ATES funkcjonujących w Holandii. Wynika z nich, że średnia moc instalacji to 1200 ± 1500 kW. Jednocześnie średnia ilość ciepła odebrana z pojedynczej instalacji ATES kształtowała się na poziomie 455,8 ± 484,9 MWh w trybie grzania, przy 477,0 ± 575,4 MWh ilości ciepła zmagazynowanego w trybie chłodzenia. Wysokie wartości odchylenia standardowego są spowodowane dużą rozpiętością rozmiarów instalacji.
Przegląd literatury fachowej wskazuje na spadek jednostkowych kosztów kapitałowych (EUR/kW) wraz ze wzrostem rozmiaru systemu. Wynika to z faktu, że większe systemy można zaprojektować wydajniej niż mniejsze (Fleuchaus i in. 2018). Średnie jednostkowe koszty kapitałowe wynoszą 545 ± 396 EUR/kW (Rysunek 1; Fleuchaus i in. 2021). Koszty te spadają wraz ze wzrostem zainstalowanej mocy, średnio 0,2 mln EUR dla małych systemów i 2 mln EUR dla dużych inwestycji. Ponadto, szacuje się, że żywotność systemu ATES wynosi od 25 do nawet 50 lat (Fleuchaus i in. 2018).
 

Koszty operacyjne (OPEX) systemów ATES to przede wszystkim koszty zużycia energii elektrycznej do zasilania pompy ciepła, a także pomp głębinowych w poszczególnych studniach. Oczywiście im mniejsze są koszty operacyjne tym szybciej kompensowane są koszty inwestycyjne, a to skutkuje szybszym czasem zwrotu instalacji. Rysunek 2 przedstawia przewidywany czas zwrotu dla 16 inwestycji ATES, które zostały przedstawione w literaturze naukowej (Fleuchaus i in. 2021). Typowy okres zwrotu inwestycji ATES waha się od mniej niż 2 do około 10 lat, w zależności od konkretnej instalacji i warunków rynkowych (Jackson i in. 2024). Jeżeli instalacja ATES wykorzystywana jest zarówno w celu dostarczenia chłodu, jak i ciepła to wówczas czas zwrotu jest stosunkowo krótki – średnio wynosi 7 lat. Można zatem obiektywnie uznać, że w warunkach rynkowych jest to bardzo krótki okres zwrotu poniesionych nakładów inwestycyjnych, co też niewątpliwie wpłynęło na popularność tej technologii i jej dynamiczny rozwój w Holandii i Belgii. Ze względu na możliwość dostarczania chłodu z pominięciem pompy ciepła, duży odbiór chłodu pełni kluczową rolę w opłacalności systemu. Są znane instalacje ATES, których czas zwrotu jest szacowany na 2-5 lat (Fleuchaus i in. 2018; Fleuchaus, 2021). Należy podkreślić, że czas zwrotu wynoszący ponad 7 lat wskazano dla instalacji, które były wykonane jako jedne z pierwszych, w latach 80-tych i 90-tych XX wieku. Brak doświadczenia i wiedzy naukowej skutkował wówczas wykonaniem instalacji o dłuższym czasie zwrotu inwestycji, powyżej obecnej średniej. 

                                               

 ates 1

Rys. 1. Koszty jednostkowe dla poszczególnych systemów ATES w zależności od mocy instalacji (Fleuchaus i in. 2021).

Na podstawie rysunku 2 można również wskazać, że dla systemów hybrydowych ATES, które wykorzystywane są zarówno do ogrzewania jak i chłodzenia, średni czas zwrotu inwestycji wynosi 6-7 lat, a dzięki uzyskanemu gradientowi temperatur pomiędzy otworami oraz niemal całorocznej pracy, są to systemy bardziej efektywne niż te wykorzystywane jedynie do ogrzewania lub chłodzenia. W związku z tym priorytetowo powinny być wykonywane systemy ATES przeznaczone zarówno do ogrzewania jaki i chłodzenia budynków, zwłaszcza w regionach gdzie instalacje te obecnie nie są powszechnie stosowane (Fleuchaus i in. 2021).

Systemy ATES mają ok. 2-3 krotnie wyższe nakłady inwestycyjne (CAPEX) niż konwencjonalne systemy HVAC (branża zajmująca się ogrzewaniem, wentylacją i klimatyzacją), ale znacznie mniejsze koszty operacyjne (OPEX), które mogą być nawet 5–7 razy niższe. Redukcja kosztów operacyjnych wynika z niższych kosztów paliwa (Jackson i in. 2024).

Naukowcy z Niemiec i Holandii, na podstawie monitoringu 73 instalacji LT-ATES funkcjonujących w Holandii w latach 2016 – 2018, wskazali, że optymalizacja działania systemów ATES jest nadal bardzo istotnym aspektem w obrębie funkcjonujących instalacji ze względu na znaczne rozbieżności między wartościami projektowanymi a monitorowanymi. Szacują oni, że faktyczna różnica temperatur pomiędzy otworami ciepłymi i zimnymi jest ok. 3-4 K niższa niż jest to technicznie możliwie, a ilość zmagazynowanego i odebranego ciepła jest sumarycznie ok. 50% niższa niż wynika to z przyznanych licencji (Schüppler i in. 2020). Podkreślili, że na współczynnik wydajności sezonowej (SPF) całego systemu ogrzewania i chłodzenia ATES przede wszystkim wpływają: proces wymiany ciepła, zakłócenia termiczne, hydrogeologia i geologia górotworu, poprawnie opracowany projekt i układ studni, a także odpowiedni monitoring i konserwacja systemu (Fleuchaus i in. 2020).

  

ates 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 2. Czas zwrotu inwestycji ATES jako funkcja kosztów inwestycyjnych (Fleuchaus i in. 2021).