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.
W przypadku gęsto zabudowanych obszarów miejskich ma to jednak pewne ograniczenia. Po pierwsze, warunki geologiczne muszą być odpowiednie. Po drugie, w gęsto zaludnionych obszarach miejskich, gdzie zapotrzebowanie na energię jest wysokie i dlatego wykonuje się więcej odwiertów, ważne jest, aby unikać interferencji termicznej między studniami produkcyjnymi i chłonnymi oraz odpowiednio zaprojektować ich lokalizacje i wydajność. Dotyczy to również innych technologii ogrzewania/chłodzenia, takich jak pompy ciepła i odwiertowe wymienniki ciepła. Ogólnie uważa się, że technologia ATES, zwłaszcza płytka, nie ma negatywnego wpływu na jakość wód gruntowych i zaopatrzenie w wodę pitną. Należy jednak pamiętać o starannym projektowaniu, wierceniu i konserwacji całej infrastruktury. Pewną przewagą ATES nad innymi systemami jest możliwość chłodzenia pasywnego, co oznacza, że pompa ciepła nie jest potrzebna w trybie chłodzenia. Obniża to koszty funkcjonowania systemu i czyni go bardziej atrakcyjnym.
Według Pellegrini et al. (2019) i Hoekstra et al. (2020), połączenie ATES i niskotemperaturowych systemów DHC jest obiecującym rozwiązaniem dla wdrożenia strategii bezemisyjnego ogrzewania i chłodzenia. Kluczowe znaczenie mają następujące podstawowe tematy związane z systemami DHC:
- Zwiększenie wydajności istniejących sieci DHC: W ciągu ostatnich kilku lat cena sprzedaży energii elektrycznej uległa istotnym wahaniom, na co wpływ miała sytuacja geopolityczna oraz gwałtowny rozwój niedyspozycyjnych odnawialnych źródeł energii elektrycznej, a zatem dawny model biznesowy elektrociepłowni nie jest już w pełni aktualny, zwłaszcza w zakresie pracy na rzecz sieci ciepłowniczych. Ponieważ zastosowanie pomp ciepła umożliwia samokonsumpcję przynajmniej części mocy elektrycznej wytwarzanej przez elektrociepłownię, systemy ATES mogą być postrzegane jako sposób na uwolnienie ekonomiki sieci DHC od ceny sprzedaży energii elektrycznej i zwiększenie udziału energii odnawialnej;
- Magazynowanie na przestrzeni pór roku: systemy ATES mogą stanowić kluczowy element w sezonowym zwiększaniu wydajności sieci DHC, ponieważ systemy ATES mogą przechowywać letni nadmiar ciepła w wodach gruntowych do wykorzystania w zimie i przechowywać nadmiar chłodu z zimy do wykorzystania w lecie. Zarówno ciepło jak i chłód byłyby w przeciwnym przypadku utracone – rozproszone w otoczeniu. Systemy ATES można łączyć z źródłami odnawialnymi (np. kolektorami słonecznymi) i mogą one zwiększyć elastyczność zarówno istniejących, jak i nowych sieci DHC;
- Zdecentralizowane ogrzewanie i chłodzenie: Systemy ATES mogą być stosowane w niskotemperaturowych sieciach grzewczo-chłodniczych jako lokalny i zdecentralizowane źródło lub odbiornik ciepła. Tak więc systemy ATES mogą stabilizować temperatury sieci podczas dystrybucji ciepła i chłodu, sprzyjając w ten sposób efektywności i wydajności całej sieci.
- Power-to-heat (P2H) i power-to-cool (P2C): zastosowanie pomp ciepła w systemach grzewczo-chłodniczych jest fundamentalną częścią koncepcji nowoczesnych sieci ciepłowniczej, tj. sieci multiwalentnej (wieloźródłowej) korzystającej z różnych źródeł energii: energii elektrycznej, gazu ziemnego i innych paliw kopalnych, energii geotermalnej i innych OZE, oraz magazynów ciepła. Przekształcanie energii elektrycznej w procesie ogrzewania (power-to-heat) lub chłodzenia (power-to-cool) za pomocą pomp ciepła zwiększa stabilność systemu elektroenergetycznego (zapewnia jego elastyczność), ponieważ zespoły pomp ciepła mogą być włączane, gdy podaż energii elektrycznej dominuje nad jej popytem: ceny energii elektrycznej są niskie, bo występuje nadwyżka energii elektrycznej wytwarzanej przez źródła odnawialne (tj. fotowoltaikę i turbiny wiatrowe) lub popyt na energię elektryczną jest skrajnie niski (np. w nocy, w dni wolne od pracy). Gdy ATES jest stosowany łącznie z układami P2H lub P2C dodatkową korzyścią jest wykorzystanie energii odnawialnej jako źródła ciepła/chłodu oraz umożliwienie magazynowania wytworzonego ciepła i chłodu na czas późniejszy;
Podobnie jak inne systemy magazynowania energii cieplnej, systemy ATES mogą przysłużyć się systemom DHC w następujący sposób (Conforto, 2023):
- zwiększenie elastyczności, efektywności i dopasowania sposobu funkcjonowania sieci grzewczo-chłodniczych (a tym samym zmniejszenie emisji CO2 i kosztów ogrzewania, uniezależnienie od cen paliw, uniknięcie ryzyka związanego z magazynowaniem paliwa);
- zmniejszenie kosztów inwestycji poprzez zmniejszenie mocy centralnych źródeł ciepła (a tym samym - wydłużenie ich godzin pracy przy wysokim obciążeniu), rozmiaru rur w sieciach i magazynów pod ciśnieniem (np. typu termos);
- lepsze zarządzanie elektrociepłowniami, dając możliwość przesunięcia produkcji energii elektrycznej i ciepła na czas, gdy ceny jednostkowe są wyższe, maksymalizując w ten sposób zyski;
- zmniejszenie wpływu niedyspozycyjności OZE na funkcjonowanie sieci grzewczo-chłodniczych;
- zmniejszenie kosztów operacyjnych (np. zmniejszenie zużycia nośników energii w kotłach i agregatach chłodniczych, a także w systemach pompowych poprzez zmniejszenie masowego natężenia przepływu w niektórych fragmentach układu podczas szczytowego zapotrzebowania);
- zniwelowanie ograniczeń związanych z limitowanym masowym natężeniem przepływu przy zwiększaniu liczby podłączonych użytkowników bez modyfikowania projektu sieci.
