Magazynowanie energii cieplnej 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. Projekt p.n. "Wstępna ocena możliwości magazynowania energii cieplnej w poziomach wodonośnych na obszarze Polski (ATES)" dotyczył właśnie systemów niskotemperaturowych.
System niskotemperaturowego magazynowania ciepła i chłodu w warstwie wodonośnej polega na wykonaniu minimum jednej pary otworów, czyli tzw. dubletu, udostępniającego wytypowany poziom wodonośny, przy czym jeden z otworów pełni rolę otworu zimnego, służącego pozyskaniu/magazynowaniu chłodu, a drugi rolę otworu ciepłego – dla pozyskania/magazynowania ciepła. W sezonie letnim woda wydobywana z otworu zimnego odbiera ciepło z klimatyzowanego budynku i jest zatłaczana do otworu ciepłego, natomiast w sezonie zimowym następuje odwrócenie obiegu i woda z otworu ciepłego kierowana jest na parowacz sprężarkowej pompy ciepła, skąd po oddaniu ciepła zatłoczona zostaje do otworu zimnego.
Opisany system ATES pracuje w cyklicznym układzie sezonowym lato – zima, a każdy z otworów jest zarazem otworem produkcyjnym, jak i chłonnym. Sezonowy współczynnik efektywności grzewczej pompy ciepła SPF (ang.: seasonal performance factor) przy powyższych temperaturach dolnego źródła ciepła może sięgać 5,5-6 (przy użyciu sond pionowych bez magazynowania ciepła SPF wynosi 3,8–4,3), natomiast w trybie chłodzenia współczynnik SEER (ang. seasonal energy efficiency ratio) może przekroczyć 60 Btu/Wh, czyli wydajność systemu może być od 4 do 6 razy większa niż w układach konwencjonalnych. Pozwala to na osiągnięcie wyższych sprawności niż w klasycznych układach pomp ciepła pracujących w systemie otwartym (ang. open – loop system, OLS) jak i zamkniętym (ang. closed – loop system, CLS), dużych oszczędności ekonomicznych oraz wysokich wartości tzw. emisji unikniętej.
Inną odmianą systemu ATES jest układ pracujący w trybie ciągłym, w którym każdy z otworów pełni ściśle określoną rolę – jest albo otworem produkcyjnym, albo chłonnym. Systemy ATES pracujące w trybie ciągłym są dobrym alternatywnym rozwiązaniem dla poziomów wodonośnych o wysokiej prędkości filtracji (>50 m/rok). W tym trybie systemy ATES operują na niższej różnicy temperatur pomiędzy naturalną temperaturą warstwy wodonośnej a strefami wokół otworów produkcyjnych i chłonnych, przez co charakteryzują się mniejszą efektywnością energetyczną.
Zasadniczo, systemy ATES pracujące w trybie cyklicznym wymagają występowania warstwy wodonośnej zdolnej do gromadzenia i oddawania wody, o wysokim (powyżej 1•10-5 m/s) współczynniku filtracji, a jednocześnie niewielkim gradiencie hydraulicznym i niskiej naturalnej prędkości filtracji wód, co pozwala na minimalizację adwekcyjnych strat ciepła, ograniczonej od dołu i góry warstwami słaboprzepuszczalnymi w celu ochrony przed mieszaniem się magazynowanych wód z wodami innych poziomów lub z infiltrującymi wodami opadowymi. Istotne są również właściwości termiczne ośrodka skalnego – utwory zalegające poniżej i powyżej poziomu wodonośnego eksploatowanego przez system ATES powinny charakteryzować się niskim przewodnictwem cieplnym, ograniczającym pionową dyssypację energii cieplnej. Ponadto należy unikać gradientów geochemicznych i mieszania się wód o różnym składzie chemicznym, które może spowodować kolmatację filtrów studziennych, a w efekcie obniżenie sprawności i wydajności studni i w konsekwencji zwiększone koszty eksploatacji systemu.
Bez względu na zastosowany system ATES niezwykle istotne jest prawidłowe wykonanie otworów wiertniczych, a po zakończeniu eksploatacji i zamknięciu instalacji odpowiednia likwidacja otworów i infrastruktury naziemnej. Opisane powyżej działania powinny m.in. zapewnić odpowiednie uszczelnienie pomiędzy przewiercanymi poziomami wodonośnymi, izolację otworów od powierzchni terenu w celu zabezpieczenia przed ewentualną migracją zanieczyszczeń z zewnątrz.
