Magazynowanie ciepła w górotworze? To możliwe!

W kwietniu tego roku odbyło się szkolenie pt.: Budowanie zdolności kluczowych zainteresowanych stron w dziedzinie energii geotermalnej. Wydarzenie było zrealizowane przez Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN (IGSMiE PAN) oraz Krajową Agencję Energii Islandii (NEA). Składało się z wykładów w Warszawie oraz wizyt technicznych w geotermalnych instalacjach w Mszczonowie i we Wręczy (woj. mazowieckie). Program Działań obejmował szerokie spektrum tematyczne związane z ciepłownictwem geotermalnym. Wykładowcami byli specjaliści z NEA, IGSMiE PAN, a także przedstawiciele Ministerstwa Klimatu i Środowiska, Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej (operatorów Programu MF EOG „Środowisko, Energia i Zmiany Klimatu”) oraz zaproszeni eksperci. Poniższy artykuł powstał na podstawie treści prezentacji dr inż. Macieja Miecznika z IGSMiE PAN.

Jesteśmy bardzo zadowoleni z liczby zgłoszeń na Warsztaty, co dowodzi, że zapotrzebowanie na wiedzę w tym zakresie jest bardzo duże. Ocena Warsztatów jest bardzo pozytywna, jedynym ograniczeniem były tak naprawdę tylko ramy czasowe. Takie spotkania z pewnością przyczyniają się do propagowania wiedzy na temat energii geotermalnej i zwiększenia zainteresowania tym tematem

podsumował wydarzenie dla portalu GLOBENERGIA dr inż. Maciej Miecznik z IGSMiE PAN.

Więcej informacji o Projekcie można uzyskać na stronie: keygeothermal.pl.

Technologie podziemnego magazynowania ciepła

UTES to skrótowiec od anglojęzycznego terminu Underground Thermal Energy Storage, czyli po polsku podziemne magazynowanie energii cieplnej. Jest to innowacyjna technologia, polegająca na przechowywaniu energii cieplnej w podziemnych formacjach geologicznych, takich jak wody gruntowe, skały magmowe czy zbiorniki solne. W ramach UTES, energia cieplna jest gromadzona w postaci ciepła lub chłodu, w zależności od potrzeb i sezonowych zmian temperatury. W okresie letnim, nadmiar energii cieplnej jest pobierany z powierzchni i magazynowany w podziemnych formacjach, a w okresie zimowym energia ta jest wykorzystywana do ogrzewania pomieszczeń lub produkcji energii elektrycznej.

Istnieją różne rodzaje podziemnego magazynowania energii cieplnej (UTES), które można podzielić na kilka kategorii w zależności od nośnika energii, sposobu magazynowania, czy zastosowania. Przedstawiono je na poniższym obrazie.

Co oznaczają podane skróty?

• TTES – to zbiorniki wodne, które służą do przechowywania energii termicznej.
• UTES – to podziemne zbiorniki, które mogą przechowywać ciepło lub chłód.
• BETS – to akumulator gruntowy, który wykorzystuje otwory wiertnicze, aby przechowywać ciepło lub chłód.
• ATES – to akumulator w warstwie wodonośnej, który wykorzystuje podziemne warstwy wodonośne do przechowywania ciepła lub chłodu.
• PTES – to akumulator wodno-żwirowy, który jest zagłębiony w grunt i służy do przechowywania energii cieplnej.
• CTES – to akumulator kawernowy (skalny), który jest zbudowany w naturalnych formacjach skalnych i służy do przechowywania ciepła lub chłodu.

W tym artykule skupiono się na dwóch technologiach magazynowania – BTES oraz ATS.

Zalety podziemnych zasobników ciepła

Wszystkie te rodzaje UTES mają swoje zalety i ograniczenia, co wpływa na ich zastosowanie w praktyce w zależności od specyfiki miejsca i potrzeb energetycznych.

Podziemne magazynowanie energii cieplnej pozwala na długoterminowe (sezonowe) przechowywanie ciepła, co umożliwia wykorzystanie go wtedy, gdy jest to potrzebne. Ponadto dzięki tej technologii możliwe jest wyrównanie krzywej zapotrzebowania na moc cieplną lub chłodniczą, co pozwala na ograniczenie wykorzystania źródeł szczytowych. Jednym z największych atutów magazynowania ciepła w górotworze jest niewielki lub wręcz zerowy wpływ na środowisko. W przeciwieństwie do innych metod przechowywania energii, takich jak na przykład elektrownie wodne czy wiatraki, magazynowanie ciepła nie wymaga znacznej ingerencji w krajobraz. Ponadto technologia ta cechuje się niewielkim efektem wizualnym lub jego brakiem, co jest szczególnie istotne w przypadku lokalizacji w obszarach o szczególnym znaczeniu krajobrazowym.

Borehole Thermal Energy Storage (BTES)

Niżej przedstawiono ideowy schemat działania systemu BTES w okresie letnim oraz w okresie zimowym.

Magazynowanie ciepła (rzadziej chłodu) w górotworze odbywa się za pomocą innowacyjnych otworowych wymienników ciepła, które umożliwiają przemienny proces składowania oraz pobierania ciepła. W tym procesie grunt lub skała pełnią rolę akumulatora dla gromadzonego ciepła, a nie warstwa wodonośna. Warto zauważyć, że obecność wód gruntowych jest niepożądana. Jednostkowa pojemność cieplna magazynu wykonanego w technologii BTES wynosi około 15-30 kWh/m³ gruntu, co oznacza, że taka ilość gruntu jest w stanie pomieścić znaczną ilość ciepła. Magazynowanie oraz pobieranie ciepła odbywa się w obiegu zamkniętym poprzez umieszczenie pojedynczych lub podwójnych U-rurek wypełnionych cieczą w odwierconych otworach. Typowa średnica otworu to około 140-150 mm. Struktura geometryczna systemu BTES składa się z jednego do kilkuset pionowych wymienników ciepła, ułożonych najczęściej radialnie lub na planie kwadratu, prostokąta lub wielokąta foremnego. Odległość pomiędzy kolejnymi otworami wynosi od 2 do 5 m, a głębokość otworów przeważnie mieści się w zakresie od kilkunastu do około 200 metrów. Taka struktura systemu pozwala na efektywne magazynowanie oraz pobieranie ciepła z górotworu, co sprawia także, że technologia ta zyskuje coraz większą popularność.

Aquifer Thermal Energy Storage (ATES)

Poniżej przedstawiono metody planowania systemów ATES w zimie i w lecie.

Magazynowanie ciepła i chłodu w technologii ATES odbywa się w warstwie wodonośnej poprzez wykorzystanie minimum jednego dubletu otworów, z których jeden pełni rolę otworu ciepłego, a drugi otworu chłodnego. W większych instalacjach wykorzystuje się wiele otworów, z których część służy jako otwory ciepłe, a pozostałe jako otwory chłodne. W sezonie letnim woda o temperaturze ok. 5-10°C pobierana z otworu chłodnego jest przepuszczana przez wymiennik ciepła, gdzie odbiera ciepło z klimatyzowanego budynku. Następnie podgrzana do temperatury 15-18°C, jest zatłaczana do otworu ciepłego. W sezonie zimowym kierunek przepływu wody jest odwrócony – woda z otworu ciepłego jest podgrzewana w parowaczu sprężarkowej pompy ciepła, a następnie przepuszczana przez wymiennik ciepła, aby podgrzać wodę powrotną z budynku do temperatury 40-50°C, podczas gdy woda z warstwy wodonośnej jest schładzana do 5-10°C i wprowadzana do otworu chłodnego. Jeśli temperatura wody pobieranej z otworu zimnego w sezonie letnim wynosi 6°C lub mniej, można ją wykorzystać bezpośrednio do chłodzenia bez użycia sprężarkowej pompy ciepła (free cooling).

Odbiorcami technologii ATES są duże obiekty wymagające chłodzenia w sezonie letnim oraz ogrzewania niskotemperaturowego w sezonie zimowym, czyli na przykład: skupiska budynków mieszkalnych, biurowce, szpitale, centra komputerowe wymagające stałego chłodzenia, muzea, magazyny, szklarnie, dworce kolejowe czy terminale lotniskowe.

Technologia ATES i BTES w Polsce

Biorąc pod uwagę warunki hydrogeologiczne oraz klimatyczne, Polska posiada wyjątkowo korzystne warunki do rozwoju technologii ATES na większości obszaru kraju. Są już prowadzone badania w zakresie technologii ATES na terenie Polski, m.in. przez Państwowy Instytut Geologiczny, czy Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN.

Mam przekonanie, że technologia ATS ma ogromny potencjał w Polsce i jestem jej zdecydowanym zwolennikiem. Bardzo dobrze, że ten temat został uwzględniony w strategii dla rozwoju geotermii w Polsce, a także, że zostały przeznaczone odpowiednie środki na propagowanie zarówno technologii ATS jak i BTS w kraju. Moim zdaniem, technologia ATS ma duże perspektywy rozwoju w Polsce na szeroką skalę

powiedział dla portalu GLOBENERGIA dr inż. Maciej Miecznik z IGSMiE PAN.

W Bańskiej Niżnej na terenie laboratorium geotermalnego IGSMiE PAN, także planowana jest budowa instalacji BTES, wykorzystująca potencjał kolektorów słonecznych oraz otworu Bańska IG-1 jako źródeł ciepła.

Podziemne magazynowanie energii cieplnej ma wiele zalet, w tym wysoką efektywność energetyczną i ekonomiczną, brak emisji gazów cieplarnianych oraz możliwość dostosowywania produkcji energii do zapotrzebowania. UTES to zatem ważna technologia, która może przyczynić się do zwiększenia udziału źródeł odnawialnych w produkcji energii oraz poprawy bezpieczeństwa energetycznego.

Źródło: Projekt EOG „Budowanie zdolności kluczowych zainteresowanych stron w dziedzinie energii geotermalnej” - “Technologie magazynowania ciepła w górotworze”, Dr inż. Maciej Miecznik, IGSMiE PAN.