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.
System magazynowania ciepła/chłodu w warstwach wodonośnych na ogół wymaga współdziałania co najmniej dwóch studni (tzw. dublet). Częściej jednak system wykorzystuje układy kilku studni produkcyjnych i zatłaczających, co zwiększa jego efektywność i niezawodność pracy (rys. 1). Otwory eksploatacyjne i otwory chłonne wyposażone są w pompy głębinowe umożliwiające tłoczenie wody w obu kierunkach.
Rys. 1 Ogólny schemat funkcjonowania instalacji magazynowania ciepła/chłodu w zbiornikach wodonośnych, w trybie A – chłodzenia (sezon letni), B – ogrzewania (sezon zimowy).
1 – naturalna warstwa wodonośna, 2 - otwór produkcyjny, 3 – otwór chłonny, 4 – stacja wymiennikowni 5 – odbiorca ciepła/chłodu.
Opracowano na podst. Applied Hydrogeology Geothermal Innovation. ATES – Aquifer Thermal Energy Storage, https://underground-energy.com/our-technology/ates/
System ATES może pracować w trybie cyklicznym lub w trybie ciągłym. W trybie cyklicznym w warstwie wodonośnej tworzą się dwa magazyny energii – ciepła i chłodu, wokół studni, z których jedne zawsze zarówno pobierają jak i zatłaczają wodę ciepłą, a drugie zimną.
W szczególnych warunkach hydrogeologicznych możliwe jest stosowanie systemu ATES pracującego w trybie cyklicznym opartego na jednej studni, która jest jednocześnie otworem produkcyjnym i iniekcyjnym. Woda podziemna jest wtedy pobierana z jednego horyzontu głębokości, a zatłaczana do innego. W powyższym przypadku wymaga to wykonania szczegółowych badań wód obydwu zbiorników oraz ścisłego monitorowania ich składu chemicznego i stabilności rozpuszczonych składników mineralnych w celu zapobiegania degradującym zjawiskom kolmatacji. W świetle obowiązujących obecnie przepisów w Polsce takie systemy nie mogą być eksploatowane.
Systemy ATES pracujące w trybie ciągłym wykorzystują naturalny przepływ wody w warstwie wodonośnej i są projektowane w taki sposób, żeby gromadzone w warstwie wodonośnej ciepło i/lub chłód dopływały do otworu produkcyjnego w odpowiednim czasie, tzn. wtedy, kiedy jest na nie zapotrzebowanie. Co do zasady, systemy takie mogą powstawać przy większych prędkościach naturalnych przepływu wody niż systemy cykliczne.
Budowa magazynów typu ATES wiąże się zawsze z koniecznością odwiercenia i uzbrojenia otworów studziennych zdolnych do pobierania i zatłaczania znacznych ilości wód podziemnych (co najmniej 10 m3/h przy małych instalacjach i wielokrotności przy większych). System musi być tak zbudowany, żeby zapewniał bezpieczeństwo zasobów wód podziemnych oraz możliwie najlepiej brak kontaktu tych wód z powietrzem atmosferycznym. Do każdej studni musi być zapewniony dostęp w celu konserwacji, wymiany pompy itp. Lokalizacja studni jest uzależniona od konfiguracji systemu oraz od warunków hydrogeologicznych, co powoduje potrzebę posiadania prawa do odpowiednio dużego terenu. Po odwierceniu studni i połączeniu ich z instalacją wymienników i pompy ciepła magazyn ATES nie jest widoczny na powierzchni terenu.
Ciepło jest magazynowane w wodzie podziemnej, jak również w otaczającym materiale skalnym budującym warstwę wodonośną. W Polsce typowymi skałami wodonośnymi z potencjałem do wykorzystania jako magazyny energii cieplnej są piaski i żwiry. Na świecie wykorzystuje się również piaskowce, rzadziej wapienie i inne. Instalacja ATES składa się z dwóch zespołów studni, zwykle o różnej głębokości, stacji wymiennikowni, sieci przesyłowej oraz odbiorcy (rys. 1). Latem woda z jednego zespołu jest pobierana jako czynnik chłodniczy, ogrzewana z wykorzystaniem wymienników i zatłaczana do drugiego zespołu studni. Zimą obieg ten lega odwróceniu. Między zespołami studni "ciepłych"' i "zimnych" tworzy się front termalny, który przemieszcza się wraz z rosnącą lub malejącą temperaturą.
