Ciepło z lata można wykorzystać zimą. 45 proc. Polski ma potencjał do magazynowania ciepła w wodach podziemnych
Czy ciepło wytworzone latem można przechować pod ziemią i wykorzystać zimą do ogrzewania budynków? Technologia ATES udowadnia, że jest to możliwe, a podziemne warstwy wodonośne mogą pełnić funkcję sezonowych magazynów nie tylko ciepła, ale też chłodu. Ok. 45 proc. pow. Polski ma wstępnie odpowiednie warunki do zastosowania tego rozwiązania. Jednak mimo tak dużego potencjału wciąż brakuje krajowych instalacji demonstracyjnych. Jak działa podziemne magazynowanie energii? Jakie korzyści może przynieść miastom i ciepłownictwu? Co decyduje o jego opłacalności? M.in. o tym rozmawialiśmy z dr Moniką Konieczyńską z Zakładu Geologii Środowiskowej PIG-PIB.
Czy uważa Pani, że ciepło wyprodukowane latem można rzeczywiście przechować pod polskim miastem i wykorzystać kilka miesięcy później, zimą?
Tak — w praktyce można magazynować letnie ciepło pod ziemią i odzyskać je zimą. Istnieje kilka możliwych wariantów takiej technologii, choć jej opłacalność i wykonalność zależą od lokalnych warunków geologicznych i skali projektu oraz dobrze skonfigurowanej do tych warunków instalacji. Energia cieplna może być magazynowana w skałach czy szkielecie gruntowym i przekazywana przez otworowe wymienniki ciepła za pomocą cieczy roboczej tak jak w systemach BTES (borehole thermal energy storage) lub wymienniki umieszczone w elementach konstrukcyjnych obiektów budowlanych albo w poziomach wodonośnych, kiedy wody podziemne pełnią rolę zarazem samego magazynu jak i cieczy roboczej służącej do ładowania i rozładowywania magazynu. Takie systemy nazywamy magazynami w poziomach wodonośnych – po angielsku ATES – aquifer thermal energy storage.
Trzeba jednak od razu na wstępie podkreślić, że nie każde miasto i nie każdy grunt się nadają — potrzebne są odpowiednie warunki geologiczne i hydrogeologiczne oraz wnikliwe oszacowanie potrzeb energetycznych i staranne projektowanie tak części podziemnej magazynu jak i instalacji powierzchniowej.
Czym magazyn ATES różni się od geotermii oraz od klasycznego magazynu ciepła?
Systemy geotermalne pracują z wykorzystaniem wód podziemnych, w których w naturalny sposób zgromadzone jest ciepło pochodzące z wnętrza Ziemi. To ciepło jest wykorzystywane albo bezpośrednio (w przypadku wód termalnych o wysokich temperaturach) albo jako dolne źródło pomp ciepła działających w tzw. systemach otwartych, w których wody podziemne są pobierane, przekazywane na wymienniki ciepła i zatłaczane z powrotem do warstwy wodonośnej lub wykorzystywane na powierzchni do innych celów. Często takie systemy są nazywane ATESami, ale nie jest to do końca prawidłowa nazwa. Jest to właśnie geotermia, gdzie wykorzystujemy ciepło zgromadzone w sposób naturalny. Im głębiej, tym tego ciepła jest więcej, bo pochodzi ono głównie z jądra Ziemi i im dalej od tego jądra tym tzw. strumień cieplny słabnie, podobnie jak im dalej od pieca, tym chłodniej.
Systemy ATES natomiast pozwalają na magazynowanie ciepła (w strefie zwykłych wód podziemnych również chłodu) pochodzących z innych niż jądro Ziemi źródeł ciepła, takich jak OZE, systemy chłodnicze czy ciepło odpadowe z przemysłu. Magazyn taki różni się tym od klasycznego wyobrażenia magazynu, że nie potrzebuje żadnych zbiorników czy ścianek szczelnych, zajmuje określoną objętość warstwy wodonośnej, a jego moc i efektywność zależą w największym stopniu od tego jakie w danej lokalizacji są warunki hydrogeologiczne, jak dokładnie zostały rozpoznane i jak bardzo sposób działania magazynu został do tych warunków dostosowany.
ATES nie jest więc „geotermią” ani „zwykłym” magazynem ciepła: to sezonowy, otwarty magazyn podziemny, który wykorzystuje warstwę wodonośną jako naturalny zasobnik i jest szczególnie użyteczny tam, gdzie trzeba zagospodarować nadwyżkę ciepła lub chłodu między latem a zimą.
Artykuł „Assessment of the potential for low-temperature aquifer thermal energy storage (LT-ATES) in Poland”, którego jest Pani współautorką, wskazuje że ok. 45 proc. pow. Polski ma wstępnie odpowiednie warunki hydrologiczne dla LT-ATES. Co ten wynik oznacza w praktyce i jak daleko jesteśmy od wskazania konkretnych lokalizacji pod pierwsze instalacje?
Rozpoznając naturalne warunki dla lokalizowania systemów ATES musieliśmy się oprzeć na istniejących danych geologicznych i hydrogeologicznych dla całego kraju. Szukaliśmy takich rejonów, gdzie występują odpowiednio wydajne poziomy wodonośne na relatywnie małych głębokościach (do 200 m p.p.t.). Ograniczyliśmy nasze rozpoznanie do wód słodkich występujących w utworach porowych, których szacowane naturalne prędkości przepływu pozwolą przy zastosowaniu dostępnych rozwiązań inżynierskich na ograniczenie strat powodowanych odpływem wód – nośników energii. W efekcie naszego rozpoznania około 141 tys. km² , czyli właśnie ~45 proc. terytorium Polski zostało zaklasyfikowane jako obszar odpowiedni dla LT-ATES, przy czym ok. 19 proc. powierzchni kraju posiada odpowiednie warunki dla systemów o dużej mocy oraz kolejne 20 proc. posiada wystarczające zasoby wód podziemnych dla tego typu systemów, ale mniej korzystny reżim hydrauliczny prawdopodobnie będzie powodował mniejszą efektywność magazynowania i/lub konieczność stosowania bardziej zaawansowanych rozwiązań technicznych przy budowie instalacji.
Należy podkreślić, że przeprowadzone rozpoznanie w skali całego kraju siłą rzeczy bazowało na danych zgeneralizowanych i na bazie uzyskanych wyników nie należy projektować magazynów – każda lokalizacja powinna zostać poddana szczegółowej ocenie warunków hydrogeologicznych i hydrochemicznych, żeby uniknąć błędów przy projektowaniu indywidualnych systemów. Tak więc 45 proc. Polski to nie „45 proc. gotowych lokalizacji”, tylko szeroka pula obszarów, z których dopiero trzeba wyłowić miejsca spełniające warunki techniczne, ekonomiczne i regulacyjne. Na dziś Polska jest więc na etapie wskazywania obiecujących stref, ale jeszcze przed wyborem pierwszych pewnych lokalizacji wdrożeniowych.
Po więcej informacji na temat rozpoznania naturalnego potencjału dla niskotemperaturowego magazynowania ciepła i chłodu w warstwach wodonośnych w Polsce odsyłam do serwisu www.pgi.gov.pl/ates i publikacji.
Jakie są najważniejsze parametry geologiczne, które decydują o tym, czy ATES może działać w danym miejscu?
Możliwość wykorzystania warstw wodonośnych do sezonowego magazynowania ciepła i chłodu w systemach ATES zależy od szeregu parametrów geologicznych, hydrogeologicznych i geochemicznych. Decydują one o tym, czy woda może być sprawnie zatłaczana i pobierana, a zgromadzona energia pozostanie w zasięgu instalacji do czasu jej ponownego wykorzystania.
Do najważniejszych parametrów należy przewodność warstwy wodonośnej, określająca jej zdolność do przewodzenia wody przy danej miąższości. Odpowiednio wysoka przewodność umożliwia uzyskanie wymaganej wydajności studni. Istotne znaczenie ma również naturalny przepływ wód podziemnych, którego kierunek ma znaczenie dla prawidłowej lokalizacji studni, a prędkość, jeśli nie zostanie skompensowana reżimem pracy instalacji, może powodować przemieszczanie się strefy termicznej poza obszar magazynowania i zwiększać straty energii.
Miąższość i porowatość warstwy wodonośnej wpływają na dostępną przestrzeń magazynową oraz ilość energii, którą można zgromadzić w wodzie i skałach. Korzystne warunki mogą zapewniać także warstwy słabo przepuszczalne, występujące nad i pod magazynem, które ograniczają pionowy przepływ wód, a z nim straty ciepła.
Na efektywność ATES wpływają ponadto heterogeniczność i anizotropia ośrodka, czyli przestrzenne zróżnicowanie jego właściwości oraz ich zależność od kierunku. Czynniki te decydują o sposobie przepływu wody, a z wodą strefy termicznej, utrudniając przewidywanie strat energii. Anizotropia i niejednorodność ośrodków szczelinowych i szczelinowo-krasowych były głównym powodem wyłączenia tego typu ośrodków z analizy krajowego potencjału magazynowania, co nie oznacza, że szczegółowe studia w konkretnej lokalizacji nie mogą zakończyć się pozytywną oceną z punktu widzenia tworzenia magazynu ATES.
Ważny jest również skład chemiczny wód i skał, w których te wody krążą. Substancje rozpuszczone w wodzie, zwłaszcza przy zmianie warunków fizykochemicznych np. na wymiennikach ciepła czy w strefach przyfiltrowych studni, mogą się wytrącać, powodując kolmatację filtrów i/lub zatykanie czy korozję instalacji, w efekcie prowadząc do obniżenia wydajności całego systemu.
Ocena przydatności obszaru do ATES powinna zatem uwzględniać łącznie parametry hydrauliczne, budowę geologiczną, właściwości termiczne ośrodka i warunki geochemiczne. Wstępna analiza regionalna pozwala wskazać obszary perspektywiczne, ale, jak już wspomniałam, ostateczna ocena wymaga szczegółowego rozpoznania lokalnego i uwzględnienia planowanych parametrów pracy instalacji.
Skąd można pozyskiwać ciepło do takiego magazynu – z OZE, przemysłu, elektrociepłowni czy centrów danych?
Ciepło do magazynu ATES można pozyskiwać z nadwyżek energii, czyli z odpadowego ciepła przemysłowego, ze źródeł odnawialnych, zwłaszcza w celu zmagazynowania nadprodukcji np. z fotowoltaiki oraz z układów grzewczo-chłodzących budynków i sieci ciepłowniczych. Przy wyborze źródeł ciepła współpracujących z magazynem ATES bardzo ważne są dwie kwestie. Po pierwsze im mniejsza różnica temperatur pomiędzy magazynem i otoczeniem, tym mniejsze straty ciepła, dlatego magazyny wysokotemperaturowe, tzw. HT-ATES (high temperature ATES) lokalizuje się w głębokich poziomach wodonośnych, zaś systemy oparte na cieple i chłodzie odpadowym z budynków mogą wykorzystywać użytkowe poziomy wodonośne na niewielkich głębokościach. W praktyce ATES niskotemperaturowy (LT-ATES, low temperature ATES) służy do zmagazynowania ciepła latem i oddania go zimą, a dla chłodu działa odwrotnie.
Drugim ważnym ograniczeniem przy wyborze źródła ciepła dla płytkich magazynów ATES jest konieczność ochrony jakości użytkowych pięter wód podziemnych. Oznacza to, że nie możemy dowolnie podnosić ich temperatury i magazyny w takich warstwach powinny działać w obrębie maksymalnie kilkunastu stopni różnicy temperatury pomiędzy studnią ciepłą/magazynem ciepła i studnią zimną/magazynem chłodu.
Reasumując, ATES nie potrzebuje jednego, „specjalnego” źródła ciepła — najlepiej działa jako magazyn nadwyżek z systemów, które i tak produkują ciepło albo chłód w niewłaściwym sezonie, zwłaszcza gdy można je połączyć z pompą ciepła lub/i siecią ciepłowniczą.
Czy ATES ma większy sens jako instalacja dla pojedynczego budynku lub zakładu, czy jako element miejskiej sieci ciepłowniczej? Jak duża musi być skala odbioru ciepła i chłodu, aby całe przedsięwzięcie zaczęło się ekonomicznie bronić?
ATES ma zwykle większy sens jako element miejskiej sieci ciepłowniczej albo większego kompleksu budynków niż jako instalacja dla pojedynczego, małego obiektu, bo jego ekonomia poprawia się wraz ze skalą, a najlepsze wyniki pojawiają się tam, gdzie można jednocześnie bilansować ogrzewanie i chłodzenie oraz wykorzystać duży, sezonowy strumień ciepła/chłodu. Dla pojedynczego budynku ATES też może być opłacalny, ale głównie w obiektach o dużym i przewidywalnym zapotrzebowaniu na ciepło i chłód – np. szpitalach, kampusach, biurowcach, centrach danych albo dużych budynkach komercyjnych.
Z dostępnych źródeł literaturowych wynika, że na świecie większe systemy stają się ekonomiczne około poziomu kilku megawatów: analiza kosztów kapitałowych pokazuje spadek kosztu jednostkowego do ok. 300 €/kW przy ok. 2 MW zainstalowanej mocy grzewczo-chłodniczej, a autorzy wprost wnioskują, że preferowane powinny być większe LT-ATES (>2 MW).
Ile ciepła traci się podczas kilku miesięcy magazynowania pod ziemią?
Ciepło przechowywane w górotworze w naturalny sposób się rozprasza, im dłuższy czas przechowywania, tym większe straty. Po kilku miesiącach magazynowania pod ziemią straty ciepła mogą być więc znaczne – literatura podaje tu dość szeroki przedział od ok. 20 proc. do ponad 50 proc. w zależności od systemu magazynowania i naturalnych warunków w danej lokalizacji. Na przykład w wielu opisywanych systemach HT-ATES odzysk ciepła wynosi tylko 30–40 proc. tego co zatłoczono, co oznacza, że tracona jest większość zmagazynowanej energii. Należy jednak pamiętać, że to co trafia do górotworu jest nadwyżką już wyprodukowanej energii, która bez magazynowania zostałaby w 100 proc. utracona. Dlatego raczej należy uznać, że te odzyskane 30-40 proc. to w rzeczywistości darmowa dodatkowa energia do wykorzystania. Czy stać nas na to, żeby z niej rezygnować?
Czy system ATES możne jednocześnie zapewniać ogrzewanie zimą i chłodzenie latem?
Tak, jak wcześniej wspomniałam, niskotemperaturowy ATES (LT-ATES) jest wręcz dedykowany do tego, żeby jednocześnie zapewniać ogrzewanie zimą i chłodzenie latem. W systemie tym mamy w warstwie wodonośnej praktycznie dwa magazyny – ciepła i chłodu, które ładuje się i rozładowuje w zależności od pory roku. I tak – w zimie korzysta się ze zmagazynowanego ciepła jednocześnie ładując magazyn chłodu za pomocą schłodzonej wody zatłaczanej do warstwy wodonośnej po oddaniu ciepła do ogrzewania budynku. Latem zaś pobiera się wodę z tej schłodzonej części warstwy wodonośnej do chłodzenia budynku i po jej ogrzaniu ciepłem z budynku, zasila nim inną część warstwy wodonośnej przeznaczoną na magazyn ciepła. Oczywiście, żeby zmaksymalizować efektywność takiego systemu, trzeba jak najlepiej rozpoznać lokalne warunki panujące w wykorzystywanym poziomie wodonośnym i dostosować do nich konfigurację całej instalacji. Dobrze zbilansowane systemy tego typu wykorzystujące pompy ciepła już obecnie potrzebują dołożenia tylko 1/5 tej energii, którą trzeba włożyć w tradycyjnych systemach grzewczych, a chłodzenie często w ogóle nie wymaga dodatkowego wspomagania.
W technologii ATES wykorzystuje się wodę podziemną, która jest pompowana, ogrzewana lub schładzania, a następnie ponownie zatłaczana. Jakie zagrożenia dla jakości wód mogą pojawić się przy niewłaściwie zaprojektowanej instalacji i jakie zabezpieczenia są konieczne, aby magazynowanie energii nie odbywało się kosztem zasobów wodnych?
Trzeba pamiętać, że niskotemperaturowy ATES wykorzystuje użytkowe poziomy wodonośne, których główną rolą jest zapewnienie wody pitnej i na potrzeby gospodarcze. Dlatego energetyczne wykorzystanie tych wód w żaden sposób nie może wpłynąć na ich jakość oraz zasoby dyspozycyjne, czyli możliwą do pobrania ilość. Systemy ATES muszą więc pracować na zasadzie poboru zwrotnego: cała pobrana woda po przejściu przez wymienniki ciepła musi wrócić do tej samej warstwy wodonośnej a jedyną dopuszczalną istotną zmianą w jej fizykochemii jest zmiana temperatury. Różnica temperatury pomiędzy wodą pobieraną i zatłaczaną nie powinna być znaczna, gdyż w pewnych warunkach mogłoby to wpłynąć na uruchomienie procesów chemicznych i bakteriologicznych trwale obniżających jakość wody oraz powodować niekorzystne zjawiska takie jak wytrącanie osadów i kolmatację filtrów oraz stref przyfiltrowych studni a także innych elementów samego systemu.
Systemy ATES nie powinny być lokalizowane w taki sposób, żeby ich obszar oddziaływania nakładał się na strefy dopływu do ujęć wód podziemnych. Po pierwsze zarówno systemy ATES jak i ujęcia wód podczas eksploatacji tworzą własne lokalne układy hydrauliczne będące wynikiem ich pracy i niezbędne do prawidłowego działania zgodnie z przyjętymi założeniami projektowymi. Wzajemne zaburzanie tych układów będzie niekorzystnie wpływać i na pracę ujęcia i na funkcjonowanie magazynu, powodując np. ucieczkę podgrzanych wód z magazynu ciepła i pojawienie się ich w ujęciu. W takim przypadku straty ciepła w systemie energetycznym będą większe niż planowane, a woda o wyższej niż założona w ujęciu temperaturze może, jak już wspomniano, nie spełnić wymogów sanitarnych i w najlepszym razie wymagać dodatkowego uzdatniania.
Kolejnym zagrożeniem może być rozprzestrzenianie zanieczyszczeń przez lokalizowanie magazynów w rejonach, gdzie występuje zanieczyszczenie wód podziemnych. Znane są jednak przykłady specjalnie projektowanych układów współdziałania magazynów ciepła i zabiegów rekultywacyjnych prowadzonych w warstwach wodonośnych.
Wszystkie elementy ryzyka działania systemów ATES w użytkowych poziomach wodonośnych muszą być rozpoznane na etapie lokalizacji i projektowania systemu. Dlatego w każdym przypadku potrzebne są szczegółowe badania geologiczne, hydrogeologiczne i hydrochemiczne przed podjęciem decyzji o budowie systemu, zaś projekt systemu powinien być przygotowany i testowany na modelu opracowanym na bazie wyników prac geologicznych. Im lepsze rozpoznanie, tym bardziej wiarygodny model, a wyniki symulacji lepiej pozwolą przewidzieć ewentualne zagrożenia i tak zaprojektować instalację, żeby minimalizować ryzyko. Niezbędny też będzie, zwłaszcza przy dużych instalacjach, zajmujących siłą rzeczy większą przestrzeń w górotworze, odpowiedni monitoring pracy systemu obejmujący nie tylko efektywność energetyczną, ale też parametry wykorzystywanej wody, pozwalający na podjęcie stosownych działań w przypadku rejestracji niekorzystnych zjawisk.
Co dzisiaj stanowi największą przeszkodę dla pierwszych polskich instalacji – brak odpowiednich regulacji, koszty rozpoznania geologicznego, ryzyko inwestycyjne czy niewiedza potencjalnych użytkowników?
Największą przeszkodą dla pierwszych polskich instalacji ATES wydaje się dziś nie tyle sama geologia, ile brak ram regulacyjnych i wdrożeniowych – nawet przy dobrych warunkach hydrogeologicznych projekt potrzebuje jasnych zasad uzyskiwania niezbędnych pozwoleń oraz reguł funkcjonowania. Porównania międzynarodowe konsekwentnie pokazują, że bez specyficznych zasad, procedur i wsparcia instytucjonalnego ATES nie przechodzi z potencjału do realizacji. Nie pomagają też wysokie koszty początkowe rozpoznania lokalnych warunków i koszty samej inwestycji. Brak projektów demonstracyjnych, pokazujących faktyczną efektywność sezonowego magazynowania ciepła i chłodu oraz możliwości techniczne radzenia sobie z ewentualnymi zagrożeniami, utrudnia komunikowanie zalet takiego rozwiązania, najlepszą bowiem zachętą są udane i przetestowane wdrożenia.
Nie bez znaczenia jest też ugruntowany model ciepłownictwa wysokotemperaturowego – w Polsce odsetek regionów z dostępem do ciepła systemowego przewyższa średnią europejską, ale istniejące systemy nie są przygotowane do pracy w zakresach temperatur najlepiej wspierających efektywność magazynowania energii cieplnej w płytkich warstwach wodonośnych. Możliwości wysokotemperaturowe magazynowanie ciepła w głębokich poziomach wodonośnych o wyższej naturalnej temperaturze wody są chyba jeszcze mniej rozpoznane i dalsze od wdrożenia w Polsce.
Polska ma już rozpoznany potencjał, ale nadal nie posiada rozwiniętego rynku instalacji ATES. Co powinno wydarzyć się w najbliższych latach, aby powstał pierwszy reprezentatywny projekt demonstracyjny? Kto powinien podjąć inicjatywę i wziąć na siebie ryzyko – jaka powinna być w tym rola miast, przedsiębiorstw ciepłowniczych, przemysłu, deweloperów, a wreszcie państwa?
To trudne pytanie i obawiam się, że nie jestem właściwą osobą, żeby na nie odpowiedzieć. Projekt demonstracyjny mógł powstać już dawno, są zainteresowane samorządy, było już kilka wytypowanych obiektów o odpowiedniej skali i z przewidywalnymi potrzebami energetycznymi, jest zainteresowanie i wsparcie nauki, znalazłby się też wykonawca instalacji nawet po kosztach niekomercyjnych i przyszły operator też. Jednak chyba trochę brakuje determinacji zarówno po stronie potencjalnych twórców projektu jak i po stronie decydentów reprezentujących nasze państwo. Bardzo dużo mówimy o efektywności i transformacji energetycznej, o redukcji emisji, ale w praktyce najlepiej chcielibyśmy wszystko to załatwić jakąś jedną wielką inwestycją. A magazynowanie ciepła to działanie lokalne i tylko ilość pojedynczych projektów ma szansę na stworzenie masy krytycznej, której efekt będzie zauważalny. A żeby zaczęły powstawać, ktoś musi sfinansować pierwsze, może nie zawsze udane próby. Ja po cichu liczę na Ministerstwo Nauki i podległe mu instytucje z programami finansującymi innowacje i wdrożenia. Tu powinien pojawić się program na tego typu projekty – realizowane przez szerokie grono interesariuszy grających różne role, odpowiednio długie, żeby w odpowiedzialny sposób móc przeprowadzić wszystkie konieczne badania wraz z modelowaniem i symulacjami pracy w różnych konfiguracjach dla optymalizacji projektu oraz prowadzić wymagane obserwacje od początku pracy do osiągnięcia pełnej mocy systemy ATES. Program umożliwiający dostosowania i zmiany koncepcji w trakcie realizacji projektu i uwzględniający ryzyka różnego typu, w tym złych szacunków finansowych.
Jeśli uda się zrealizować jeden lub kilka udanych projektów demonstracyjnych, możemy zacząć myśleć o rozwijaniu rynku, o ile w tym czasie zoptymalizowane zostaną istniejące regulacje, w tym powstanie publiczny rejestr podziemnych systemów energetycznych oraz jednolite procedury administracyjne dla budowy i funkcjonowania takich systemów.
Rolą państwa w tym wypadku jest nie tyle kreowanie zachęt finansowych dla poszczególnych projektów, ale stworzenie jednoznacznej, długookresowej strategii, która raz na zawsze przesądzi, że zależy nam na prawdziwej zielonej transformacji, której nieodłącznym czynnikiem jest efektywność energetyczna i że działania wszystkich resortów muszą być w tej dziedzinie skoordynowane i zrozumiałe.
Michał Krajniak
Dziennikarz analityczny, który patrzy na energetykę przez pryzmat polityki i gospodarki. Opisuje wyzwania sektora oraz przygląda się postępującym trendom rynkowym.
Dodaj komentarz