Naturalny potencjał do sezonowego magazynowania ciepła i chłodu występujących w Polsce poziomów wodonośnych do głębokości 200 m został oceniony w ramach projektu p.n.: Wstępna ocena możliwości magazynowania energii cieplnej w poziomach wodonośnych na obszarze Polski (ATES) na podstawie danych geologicznych i hydrogeologicznych zgromadzonych w Narodowym Archiwum Geologicznym. Analizie poddano dostępne informacje z obszaru całego kraju i na podstawie wyników określono w jakich rejonach warunki naturalne pozwalają na stosowanie tej technologii. Siłą rzeczy, ocena wykonana w skali całego kraju ma charakter uogólniony, pokazuje jednak, że znaczne obszary Polski mają korzystne warunki ze względu na występowanie poziomów wodonośnych spełniających kryteria niezbędne dla wykorzystania ich jako magazynów, a wody podziemnej jako nośnika ciepła i chłodu, odpowiednio do potrzeb związanych z zapotrzebowaniem sezonowym. Podjęto również próbę waloryzacji naturalnego potencjału ATES, wskazując obszary, gdzie warunki naturalne sprzyjają budowie instalacji o mocy do 175 kW oraz dużych instalacji o mocy powyżej 0,5 MW. W wielu jednak rejonach parametry warstw wodonośnych istotne dla magazynowania ciepła i chłodu nie sprzyjają jednoznacznie dużym czy małym instalacjom i tam docelowa pojemność magazynów będzie musiała być w znacznym stopniu uzależniona od konfiguracji samej instalacji ATES.
Źródła danych Naturalny potencjał magazynowanie energii cieplnej w poziomach wodonośnych w Polsce został oceniony na podstawie istniejących danych dotyczących warunków geologicznych i hydrogeologicznych w skali całego kraju. Głównym źródłem tych danych były baza ciągła Mapy Hydrogeologicznej Polski w skali 1:50 000 – Główny Użytkowy Poziom Wodonośny (MHP GUPW) oraz Mapa Hydrogeologiczna Polski w skali 1:50 000 – Pierwszy Poziom Wodonośny – Występowanie i Hydrodynamika (MHP PPW−WH). Wykorzystano również informacje zebrane w Centralnym Banku Danych Hydrogeologicznych – Banku Hydro (CBDH−BH). Analizie poddano parametry głównego użytkowego poziomu wodonośnego (GUPW) występującego do głębokości 200 m jako najbardziej perspektywicznego w kontekście efektywnego magazynowania ciepła oraz wskazano ile dodatkowych użytkowych poziomów wodonośnych, mogących akcesorycznie wspomagać system, występuje w profilu geologicznym. Zgodnie z Instrukcją opracowania i komputerowej edycji Mapy hydrogeologicznej Polski w skali 1:50 000, główny użytkowy poziom wodonośny to pierwsze od powierzchni terenu piętro/poziom użytkowy, stanowiące podstawowe źródło zaopatrzenia o dominującym zasięgu i zasobności. Użytkowy poziom wodonośny to warstwa lub zespół warstw wodonośnych, wykazujących łączność hydrauliczną, o parametrach kwalifikujących do eksploatacji komunalnej, t.j. o miąższości utworów wodonośnych większej niż 5 m, wodoprzewodności wyższej niż 50 m2/24h oraz wydajności potencjalnej ujęcia przekraczającej 5 m3/h. Użytkowy poziom wodonośny zaś to warstwa lub zespół warstw wodonośnych, wykazujących łączność hydrauliczną, spełniających łącznie powyższe wymagania co do miąższości, przewodności i wydajności potencjalnej. Przygotowanie danych i analizy dla wyznaczenia obszaru z potencjałem dla ATES Istotne dla potencjału ATES parametry w warstwie GUPW są zdefiniowane w przedziałach wartości w następujący sposób: Dysponowano więc danymi w układzie dyskretnym i metodykę prac dostosowano do tego układu. Kryteria brzegowe w zakresie miąższości, przewodności i wydajności potencjalnej GUPW odpowiadały zakresom przedziałów tych parametrów. Wartość głębokości możliwa do pozyskania bezpośrednio z bazy MHP GUPW była jednak większa od minimalnej głębokości zdefiniowanej jako graniczna dla systemów ATES, dlatego zasięg obszarów o głębokości GUPW pomiędzy 10 i 15 m uzupełniono na podstawie profilów otworów hydrogeologicznych przechowywanych w bazie danych Centralnego Banku Danych Hydrogeologicznych – Banku Hydro (CBDH–BH) z wykorzystaniem interpolacji położenia zwierciadła wód podziemnych wykonanej w oprogramowaniu Surfer. Tak utworzoną warstwę głębokości 10-15 m zintegrowano z pierwotną warstwą głębokości GUPW. Następnie poprzez analizę przestrzenną w programie QGIS wyodrębniono obszar, w którym główny użytkowy poziom wodonośny spełniał kryteria brzegowe ATES w zakresie miąższości, przewodności, głębokości i potencjalnej wydajności warstwy wodonośnej. W następnym kroku przeprowadzono analizę typu utworów wodonośnych na podstawie parametrów litologicznych GUPW bazy danych MHP oraz profilów otworów z CBDH−BH i ograniczono pierwotny obszar do zasięgu poziomów wodonośnych o charakterze porowym. Uzyskano w ten sposób zasięg obszaru spełniającego warunki brzegowe dla systemów ATES zdefiniowane w projekcie. Przygotowanie danych dla waloryzacji potencjału ATES Przyjęto, że waloryzacja potencjału podziemnego magazynowania energii cieplnej w warunkach Polskich będzie opierała się na czterech parametrach warstw wodonośnych: Informacje o wydajności potencjalnej ujęć i głębokości głównego użytkowego poziomu wodonośnego pochodziły z istniejących baz danych i zostały już przygotowane przy wyznaczaniu obszaru dla ATES zgodnie z opisem powyżej. Liczbę poziomów wodonośnych w profilu geologicznym na wyznaczonym obszarze określono na podstawie charakterystyki jednostek hydrogeologicznych MHP 1:50 000 oraz profilów otworów CBDH−BH. W istniejących bazach danych dotyczących zasobów wód podziemnych w Polsce nie ma informacji o rzeczywistych prędkościach przepływu wód podziemnych w poziomach wodonośnych. Parametr taki jest wyliczany w razie potrzeby lokalnie np. przy budowie ujęć lub przy analizie rozchodzenia się zanieczyszczeń. Tu jednak potrzebne były szacunki dla całego obszaru z wyznaczonym potencjałem ATES. Postanowiono więc wyliczyć orientacyjne prędkości przepływu w warstwach wodonośnych na podstawie współczynników filtracji wyznaczonych dla GUPW w MHP oraz spadków hydraulicznych wynikających z rzędnych zwierciadła wód GUPW. Jednak MHP nie posiada warstwy ciągłej położenia zwierciadła wód podziemnych, jedyne jego odwzorowanie w postaci liniowej warstwy hydroizohips. Z tej właśnie warstwy postanowiono wygenerować informację o spadkach hydraulicznych w głównych użytkowych poziomach wodonośnych w Polsce. Ponieważ warstwa wejściowa ma topologię liniową należało przekształcić ją na topologię punktową (Rysunek 3), w której punkty powstały z węzłów warstwy liniowej i dziedziczyły atrybut z wartością położenia zwierciadła GUPW. Na podstawie tak wygenerowanych punktów utworzono warstwę powierzchniową, metodą interpolacji (Kriging) w programie Surfer. W następnym etapie, utworzony w wyniku interpolacji grid z węzłami 500x500 m, wyeksportowano w postaci punktowej: X, Y, H, gdzie X i Y oznaczały współrzędne w układzie 1992 a H − wartość rzędnej zwierciadła wody GUPW. Utworzona warstwa punktowa (X, Y, H) została wczytana do programu QGIS, w którym wykorzystując algorytm „Nachylenie”, obliczający kąt nachylenia powierzchni z wejściowej warstwy X, Y, H, utworzono nową warstwę rastrową z atrybutem „wartość nachylenia” wyrażonym w %, przypisanym do każdego piksela.Wartości te zostały poprzez agregację przestrzenną przypisane do wygenerowanej siatki heksagonów o wielkości 1000x1000 m, pokrywających całkowicie obszar Polski. Pole rzeczywistej prędkości przepływu wody policzono mnożąc wartość spadku hydraulicznego przez współczynnik filtracji właściwego przestrzennie GUPW, również przypisany poprzez agregację przestrzenną oraz uwzględniając porowatość efektywną dla konkretnego wykształcenia litologicznego warstwy wodonośnej. Obliczenia wykonano jedyne w obszarze spełniającym warunki brzegowe dla ATES. Pozostałe parametry waloryzacyjne zostały w analogiczny sposób przypisane do warstwy heksagonów.
Minimalna miąższość warstwy wodonośnej Minimalna głębokość zwierciadła/stropu warstwy wodonośnej Minimalna przewodność warstwy wodonośnej Minimalna wydajność potencjalna studni Rodzaj utworów wodonośnych Minimalna liczba poziomów wodonośnych [m]
Parametry klasyfikacyjne dla waloryzacji potencjału podziemnego magazynowania ciepła i chłodu w warstwach wodonośnych do głębokości 200 m wybrano na podstawie dostępnych wiarygodnych danych i praktyk stosowanych w tych krajach, gdzie ATES jest już rozpoznawalny i stosowany. Zauważyć należy jednak, że warunki dla magazynowania energii cieplnej w wodach podziemnych zależą zarówno od budowy geologicznej jak i klimatu w danym miejscu, co sprawia, że nie można przenosić praktyk stosowanych w jednych warunkach do miejsc o zupełnie odmiennych. Stosunkowo łatwo jest też zdefiniować czynniki mające wpływ na warunki magazynowania energii cieplnej w warstwach wodonośnych, jednak niewiele z tych czynników jest na tyle dobrze rozpoznanych, żeby móc je wykorzystać do analiz w skali całego kraju. Dlatego do waloryzacji potencjału w Polsce wybrano wspomniane już poprzednio cztery parametry: Jak należało się spodziewać, rozkład przestrzenny tych parametrów w analizowanych użytkowych poziomach wodonośnych był mozaikowy. Udało się wybrać te rejony, w których ze względu na stosunkowo małe wydajności z otworów i wolne przepływy naturalne oraz głębokości nie przekraczające progu 100 m, warunki naturalne bardziej sprzyjają budowie magazynów o stosunkowo małej mocy. Przy większych wydajnościach i dużych prędkościach naturalnych w warstwie wodonośnej łatwiej jest instalować magazyny większej mocy, przy których duże wydatki mogą lokalnie zmienić reżim hydrauliczny, co zapobiegnie konwekcyjnemu rozpraszaniu energii, wyróżniono więc takie obszary jako korzystne dla takich właśnie dużych instalacji. Reszta obszaru ma warunki tak zróżnicowane, że została sklasyfikowana jako obszar, gdzie możliwości magazynowania mogą wymagać specjalnych rozwiązań projektowych.Te trzy klasy są opisane w sposób następujący: Potencjał ATES 1 - dla instalacji do 175 kW 2 - dla instalacji powyżej 500 kW 3 - warunki mieszane, moc zależna od możliwości technicznych w konkretnych warunkach, przy czym numer klasy nie mówi o tym czy jest ona obiektywnie lepsza czy gorsza. Należy pamiętać, że waloryzacja zrobiona w skali całej Polski jest jedynie orientacyjna i projektowanie każdej instalacji typu ATES powinno się zaczynać od rozpoznania warunków lokalnych, które musi uwzględniać warunki geologiczne i hydrogeologiczne, w tym zarówno hydrodynamiczne jaki i hydrochemiczne, które magą mieć ogromny wpływ na wydajność i czas eksploatacji magazynów opartych na naturalnych wodach podziemnych. W przypadku opisanego powyżej obszaru trzeciego, szczególnie ważne jest dobre zrozumienie warunków, na które się natrafi i duża wiedza zakresie możliwości technologicznych przy rekompensowaniu mniej korzystnych czynników naturalnych warstwy wodonośnej. Metodyka tworzenia mapy
Warunki brzegowe dla ATES w Polsce
[m]
[m2/d]
[m3/h]
—
—
10
10
100
10
porowe
1
Klasyfikacja potencjału ATES
