Co to jest system ATES
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 płytkich warstwach litosfery temperatury naturalne są niskie, zbliżone do średnich rocznych temperatur powietrza, dlatego bardziej racjonalne jest magazynowania ciepła poprzez nieznaczne zmiany naturalnej temperatury 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.
Rys historyczny metody ATES
Gérard Lemoine, publ. styczeń 2025
Metoda magazynowania energii cieplnej w warstwach wodonośnych (ang. Aquifer Thermal Energy Storage ATES) pojawiła się pierwszy raz w latach 60. XX wieku w Chinach, w regionie Szanghaju, w strefach przemysłowych wyspecjalizowanych w włókiennictwie. Technologia została odkryta przypadkowo, przy okazji prób zasilania warstw wodonośnych w celu zapobiegania osiadaniu terenów, które to osiadanie było wynikiem niekontrolowanej i nadmiernej eksploatacji wód podziemnych (Luxiang i Manfang, 1984; Wu i in.. 2000). W wyniku tych prac stwierdzono wysoki potencjał energetyczny wód podziemnych i możliwość wykorzystania tego do magazynowania ciepła bezpośrednio w warstwach wodonośnych w połączeniu z wykorzystaniem wód do chłodzenia obiektów przemysłowych. Pierwsze wdrożenia systemu zrealizowano w zakładach włókienniczych, potem, stopniowo, również w innych branżach.
Zastosowanie magazynowania typu ATES w sieciach grzewczo−chodniczych
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.
Jaka jest moc systemów ATES i ile energii można z nich pozyskać?
Karol Pierzchała, Maciej Miecznik (IGSMiE PAN), publ. grudzień 2024 r.
Systemy ATES dzielą się na systemy nisko oraz wysokotemperaturowe. Wyznacznikiem, który kategoryzuje dany magazyn jest temperatura gromadzonego ciepła w warstwie wodonośnej (początkowo równa temperaturze zatłaczanej wody). W literaturze istnieje kilka kategorii temperaturowych które dokonują podziału magazynów ATES. Systemy niskotemperaturowe pracują zazwyczaj poniżej temperatury 30°C i ulokowane są raczej w płytkich warstwach wodonośnych (Kleyböcker i in., 2023; Fleuchaus i in., 2018). Sposób pracy systemu ATES w zależności od trybu, został przedstawiony na rysunku 1.
ATES - czy to jest opłacalne?
Magdalena Tyszer, Maciej Miecznik (IGSMiE PAN), publ. grudzień 2024
Przegląd literatury
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.
