Водоносный горизонт для хранения тепловой энергии

Хранение тепловой энергии водоносного горизонта (ATES) — это хранение и восстановление тепловой энергии в подземных водоносных горизонтах . ATES может обогревать и охлаждать здания. Хранение и извлечение достигаются путем добычи и закачки подземных вод с использованием скважин . Системы обычно работают в сезонных режимах. Подземные воды, добываемые летом, осуществляют охлаждение путем передачи тепла от здания воде с помощью теплообменника . Нагретые грунтовые воды повторно закачиваются в водоносный горизонт, в котором хранится нагретая вода. В зимнее время поток меняется на обратный — добываются нагретые грунтовые воды (часто подаются в тепловой насос ).

Система ATES использует водоносный горизонт для смягчения сезонных изменений спроса на отопление и охлаждение. ATES может служить экономически эффективной технологией для замены систем, зависящих от ископаемого топлива и связанных с ними выбросов CO ₂ .

ATS может внести существенный вклад в сокращение выбросов, поскольку здания потребляют около 40% мировой энергии , в основном для отопления и охлаждения . ^{[ 1 ]} Количество систем ATES резко возросло, особенно в Европе. ^{[ 2 ]} Бельгия, Германия, Турция и Швеция также расширяют применение ATES. ATES может применяться везде, где подходят климатические и геогидрологические условия. ^{[ 3 ]} Оптимизация подземного пространства требует внимания на участках с подходящими условиями. ^{[ 4 ]}

Типы систем

Двунаправленные системы ATES состоят из двух скважин (дуплета). Один колодец используется для хранения тепла, а другой – для хранения холода. Зимой (теплые) грунтовые воды извлекаются из теплоаккумулирующей скважины и закачиваются в холодную скважину. Летом направление потока меняется на противоположное, так что (холодные) грунтовые воды извлекаются из скважины для хранения холода и закачиваются в скважину для хранения тепла. ^{[ 5 ]}

Однонаправленные системы не меняют направление откачки, поэтому грунтовые воды всегда извлекаются при температуре естественного водоносного горизонта. Хотя тепловая энергия хранится в недрах, обычно нет намерения извлекать накопленную энергию.

Закрытые системы накапливают энергию путем циркуляции жидкости через подземный теплообменник , который обычно состоит из горизонтального или вертикального трубопровода. Эти системы не извлекают и не закачивают грунтовые воды. Они также известны как скважинные накопители тепловой энергии или геотермальные тепловые насосы .

Для производства геотермальной энергии обычно используются более глубокие недра, где температура выше.

История

Первое сообщение о преднамеренном хранении тепловой энергии в водоносных горизонтах произошло в Китае примерно в 1960 году. ^{[ 6 ]} Первые системы ATES были построены для промышленного охлаждения в Шанхае. Там для охлаждения текстильных фабрик добывалось большое количество грунтовых вод. ^{[ 7 ]} Это привело к существенному проседанию земли. Чтобы предотвратить опускание, холодная поверхностная вода была повторно закачана в водоносный горизонт. Впоследствии было замечено, что хранимая вода после инъекции оставалась холодной и ее можно было использовать для охлаждения. Хранение тепловой энергии в водоносных горизонтах было предложено в 1970-х годах, что привело к полевым экспериментам и технико-экономическим обоснованиям во Франции, Швейцарии, США и Японии. ^{[ 8 ]}

ATES использовался в рамках усиленной биоремедиации в Нидерландах в 2009 году. ^{[ 9 ]}

По состоянию на 2018 год в эксплуатации находилось более 2800 систем АТС, обеспечивающих более 2,5 ТВтч отопления и охлаждения в год. ^{[ 7 ]} На рынке доминировали Нидерланды и Швеция. ^{[ 6 ]} 85% всех систем тогда располагались в Нидерландах, а еще 10% — в Швеции, Дании и Бельгии. ^{[ 7 ]}

Типовые размеры

Расход для типичных применений составляет от 20 до 150 м. ³/час/ну. Объем подземных вод, хранящихся и извлекаемых за год, обычно колеблется в пределах 10 000 м3. ³ и 150 000 м ³ за скважину. ^{[ 10 ]} Глубина системы ATES обычно составляет от 20 до 200 метров. Температура на этих глубинах обычно близка к среднегодовой температуре поверхности. В умеренном климате эта температура составляет около 10 °C. В этих регионах обычно применяется холодильное хранение при температуре от 5 до 10 °C, а хранение тепла — от 10 до 20 °C. Хотя и реже, в некоторых проектах сохраняется тепло выше 80 °C. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

Гидрогеологические ограничения

Экономия энергии, которой можно достичь с помощью ATES, сильно зависит от геологии объекта. ATES требует наличия подходящего водоносного горизонта, способного принимать и отдавать воду. Например, твердая порода ограничивает доступ к водоносному горизонту. Оптимальными являются мощные (>10 м) песчаные водоносные горизонты. Требуется достаточная гидравлическая проводимость, достаточная для того, чтобы вода могла легко течь. Однако избыточный поток грунтовых вод может переносить (частично) накопленную энергию за пределы зоны улавливания скважины на этапе хранения. ^{[ 13 ]} Для снижения адвективных потерь тепла предпочтительны водоносные горизонты с низким гидравлическим градиентом. Кроме того, следует избегать градиентов геохимического состава, поскольку смешивание воды с неоднородной геохимией может увеличить засорение, что снижает производительность и увеличивает затраты на техническое обслуживание.

Юридический статус

Правовой статус неглубоких (<400 м) геотермальных установок в разных странах различен. ^{[ 14 ]} Правила установки касаются использования опасных материалов и правильной засыпки скважины во избежание гидравлического короткого замыкания между водоносными горизонтами. Другие правила касаются защиты участков грунтовых вод для питьевой воды. ^{[ 15 ]} Некоторые страны ограничивают минимальную и максимальную температуру хранения. Например, Австрия (5–20 °C), Дания (2–25 °C) и Нидерланды (5–25 °C). Другие страны принимают максимальное изменение температуры грунтовых вод, например Швейцария (3 °C) и Франция (11 °C). ^{[ 14 ]}

Загрязненные грунтовые воды

Компания ATES не имеет права обрабатывать загрязненные водоносные горизонты из-за возможного распространения загрязнения подземных вод. ^{[ 16 ]} особенно в городских районах. Однако вероятность заражения возрастает из-за быстрого увеличения количества АТС и медленного прогресса в очистке загрязненных грунтовых вод в городских районах. Среди распространенных загрязнителей хлорированные этины имеют наибольшую вероятность помешать работе систем ATES, поскольку они часто обнаруживаются на одинаковых глубинах. Когда хлорированные этилены присутствуют в виде плотной жидкости неводной фазы (ДНАПЛ), возможное растворение ДНКПЛ АТЕС увеличит воздействие на качество грунтовых вод. ^{[ 17 ]}

Возможное применение

Присутствие ATES и хлорированных этинов открывает потенциал для интеграции технологий устойчивой энергетики и устойчивого управления подземными водами. ^{[ 18 ]} Повышенная температура вокруг теплого колодца может усилить восстановительное дехлорирование хлорированных этиленов. Хотя низкая температура в холодной скважине может препятствовать биоразложению, сезонная работа ATES может переносить загрязняющие вещества из холодной скважины в горячую для более быстрого восстановления. Такой сезонный перенос подземных вод может гомогенизировать состояние окружающей среды.

ATES можно использовать в качестве биостимуляции, например, для введения донора электронов или микроорганизмов, необходимых для восстановительного дехлорирования.

Срок службы ATES (30 лет) соответствует необходимой продолжительности биоремедиации in situ.

Социальные воздействия

Комбинированная концепция ATES и повышенного естественного затухания (ATES-ENA) может быть использована в Нидерландах и Китае, особенно в урбанизированных районах. Эти территории сталкиваются с загрязнением грунтовых вод органическими веществами. В настоящее время концепция объединения может быть лучше применима к Нидерландам, которые предлагают более зрелые технологии и больший опыт. Однако в Китае, где ATES гораздо менее развита, демонстрационные пилотные проекты могут быть оценены до начала эксплуатации, а гибкие системы могут быть разработаны из-за менее интенсивного давления на недропользование со стороны ATES. ^{[ 18 ]}

Исследование 2023 года показало, что ATES может сократить использование энергии для отопления и охлаждения домов и предприятий в США на 40 процентов. ^{[ 19 ]}

Ссылки

^ Де Роза, Маттиа; Бьянко, Винченцо; Скарпа, Федерико; Тальяфико, Лука А. (2014). «Оценка энергопотребления зданий для отопления и охлаждения; упрощенная модель и модифицированный подход на основе градусо-дней». Прикладная энергетика . 128 : 217–229. дои : 10.1016/j.apenergy.2014.04.067 .
^ Годшалк, Миссисипи; Бакема, Г. (2009). «20 000 систем ATES в Нидерландах в 2020 году – важный шаг на пути к устойчивому энергоснабжению» (PDF) . Слушания Эффсток . S2CID 110151280 . Архивировано из оригинала (PDF) 13 июня 2013 г. Проверено 14 октября 2016 г.
^ Блумендал, М.; Олсхоорн, TO; ван де Вен, Ф. (2015). «Объединение климатических и геогидрологических предпосылок как метод определения мирового потенциала хранения тепловой энергии в водоносных горизонтах» . Наука об общей окружающей среде . 538 : 104–114. Бибкод : 2015ScTEn.538..621B . doi : 10.1016/j.scitotenv.2015.07.084 . ПМИД 26322727 .
^ Блумендал, М.; Олсхоорн, TO; Бунс, Ф. (2014). «Как добиться оптимального и устойчивого использования недр для хранения тепловой энергии водоносного горизонта». Энергетическая политика . 66 : 621. Бибкод : 2014EnPol..66..104B . дои : 10.1016/j.enpol.2013.11.034 .
^ Дикинсон, Дж. С.; Буйк, Н.; Мэтьюз, MC; Снейдерс, А. (2009). «Водоносный горизонт хранения тепловой энергии: теоретический и эксплуатационный анализ». Геотехника . 59 (3): 249–260. Бибкод : 2009Getq...59..249D . дои : 10.1680/geot.2009.59.3.249 . ISSN 0016-8505 .
^ Jump up to: ^а ^б Паксой, Халиме О., изд. (2007). Хранение тепловой энергии для устойчивого энергопотребления: основы, практические примеры и проектирование . Научный сериал НАТО. Серия II, Математика, физика и химия. Том. 234. Springer Science & Business Media . ISBN 9781402052903 . LCCN 2007475275 . OCLC 80331468 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Флейхаус, Поль; Годшалк, Бас; Стобер, Ингрид; Блюм, Филипп (октябрь 2018 г.). «Мировое применение аккумулирования тепловой энергии в водоносных горизонтах – обзор» . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 94 : 861–876. дои : 10.1016/j.rser.2018.06.057 . S2CID 115368924 .
^ Цанг, К.Ф., Д. Хопкинс и Г. Хеллстром, Хранение тепловой энергии в водоносном горизонте - обзор. 1980, Лаборатория Лоуренса Беркли.
^ «Meermetbodemenergie.nl» . Архивировано из оригинала 23 августа 2015 г. Проверено 3 сентября 2015 г.
^ Бакр, Махмуд; ван Остром, Нильс; Соммер, Вейб (декабрь 2013 г.). «Эффективность и взаимодействие между несколькими системами хранения тепловой энергии водоносного горизонта; пример из Голландии». Возобновляемая энергия . 60 : 53–62. doi : 10.1016/j.renene.2013.04.004 .
^ Кабус Ф., Вольфграмм М., Зейбт А., Ричлак У. и Бостер Х., 2009. Хранение тепловой энергии в водоносном горизонте в Нойбранденбурге - мониторинг в течение трех лет регулярной эксплуатации», Материалы 11-й Международной конференции. по хранению энергии.
^ Саннер Б., Кабус Ф., Зайбт П. и Бартельс Дж., 2005. Подземное хранилище тепловой энергии для парламента Германии в Берлине, концепция системы и опыт эксплуатации, Труды Всемирного геотермального конгресса, стр. 1–8. . S2CID 55759051
^ Соммер, Вейб; Валстар, Йохан; ван Гаанс, Полина; Гротенхейс, Тим; Рейнартс, Хууб (декабрь 2013 г.). «Влияние неоднородности водоносного горизонта на производительность накопителя тепловой энергии водоносного горизонта». Исследования водных ресурсов . 49 (12): 8128–8138. дои : 10.1002/2013WR013677 .
^ Jump up to: ^а ^б Хенляйн, Стефани; Байер, Питер; Блюм, Филипп (декабрь 2010 г.). «Международно-правовой статус использования неглубокой геотермальной энергии». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 14 (9): 2611–2625. дои : 10.1016/j.rser.2010.07.069 .
^ Бонте, Маттейс; Стуйфзанд, Питер Дж.; Хульсманн, Адриана; Ван Билен, Патрик (2011). «Подземное хранение тепловой энергии: экологические риски и развитие политики в Нидерландах и Европейском Союзе» . Экология и общество . 16 (1): 22. doi : 10.5751/ES-03762-160122 . hdl : 10535/7465 . JSTOR 26268838 . }
^ Зурбье, Коэн Г.; Хартог, Нильс; Валстар, Йохан; Пост, Винсент Э.А.; ван Брекелен, Борис М. (апрель 2013 г.). «Воздействие систем хранения тепловой энергии в низкотемпературных сезонных водоносных горизонтах (SATES) на грунтовые воды, загрязненные хлорированными растворителями: моделирование распространения и деградации». Журнал загрязняющей гидрологии . 147 : 1–13. Бибкод : 2013JCHyd.147....1Z . дои : 10.1016/j.jconhyd.2013.01.002 . ПМИД 23435174 .
^ Паркер, Дж. К.; Парк, Э. (май 2004 г.). «Моделирование кинетики растворения плотной неводной фазы жидкостью в гетерогенных водоносных горизонтах» . Исследования водных ресурсов . 40 (5). Бибкод : 2004WRR....40.5109P . дои : 10.1029/2003WR002807 .
^ Jump up to: ^а ^б Ни, З. (2015) Биоремедиация в водоносных хранилищах тепловой энергии. Диссертация (в печати), Вагенингенский университет.
^ Саймон, Мэтт (12 апреля 2023 г.). «Массивные «батарейки», спрятанные под вашими ногами» . Проводной . ISSN 1059-1028 . Проверено 13 апреля 2023 г.

[1] Де Роза, Маттиа; Бьянко, Винченцо; Скарпа, Федерико; Тальяфико, Лука А. (2014). «Оценка энергопотребления зданий для отопления и охлаждения; упрощенная модель и модифицированный подход на основе градусо-дней». Прикладная энергетика . 128 : 217–229. дои : 10.1016/j.apenergy.2014.04.067 .

[2] Годшалк, Миссисипи; Бакема, Г. (2009). «20 000 систем ATES в Нидерландах в 2020 году – важный шаг на пути к устойчивому энергоснабжению» (PDF) . Слушания Эффсток . S2CID 110151280 . Архивировано из оригинала (PDF) 13 июня 2013 г. Проверено 14 октября 2016 г.

[3] Блумендал, М.; Олсхоорн, TO; ван де Вен, Ф. (2015). «Объединение климатических и геогидрологических предпосылок как метод определения мирового потенциала хранения тепловой энергии в водоносных горизонтах» . Наука об общей окружающей среде . 538 : 104–114. Бибкод : 2015ScTEn.538..621B . doi : 10.1016/j.scitotenv.2015.07.084 . ПМИД 26322727 .

[4] Блумендал, М.; Олсхоорн, TO; Бунс, Ф. (2014). «Как добиться оптимального и устойчивого использования недр для хранения тепловой энергии водоносного горизонта». Энергетическая политика . 66 : 621. Бибкод : 2014EnPol..66..104B . дои : 10.1016/j.enpol.2013.11.034 .

[5] Дикинсон, Дж. С.; Буйк, Н.; Мэтьюз, MC; Снейдерс, А. (2009). «Водоносный горизонт хранения тепловой энергии: теоретический и эксплуатационный анализ». Геотехника . 59 (3): 249–260. Бибкод : 2009Getq...59..249D . дои : 10.1680/geot.2009.59.3.249 . ISSN 0016-8505 .

[Paksoy2007-6] Jump up to: ^а ^б Паксой, Халиме О., изд. (2007). Хранение тепловой энергии для устойчивого энергопотребления: основы, практические примеры и проектирование . Научный сериал НАТО. Серия II, Математика, физика и химия. Том. 234. Springer Science & Business Media . ISBN 9781402052903 . LCCN 2007475275 . OCLC 80331468 .

[Fleuchaus2018-7] Jump up to: ^а ^б ^с Флейхаус, Поль; Годшалк, Бас; Стобер, Ингрид; Блюм, Филипп (октябрь 2018 г.). «Мировое применение аккумулирования тепловой энергии в водоносных горизонтах – обзор» . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 94 : 861–876. дои : 10.1016/j.rser.2018.06.057 . S2CID 115368924 .

[8] Цанг, К.Ф., Д. Хопкинс и Г. Хеллстром, Хранение тепловой энергии в водоносном горизонте - обзор. 1980, Лаборатория Лоуренса Беркли.

[9] «Meermetbodemenergie.nl» . Архивировано из оригинала 23 августа 2015 г. Проверено 3 сентября 2015 г.

[10] Бакр, Махмуд; ван Остром, Нильс; Соммер, Вейб (декабрь 2013 г.). «Эффективность и взаимодействие между несколькими системами хранения тепловой энергии водоносного горизонта; пример из Голландии». Возобновляемая энергия . 60 : 53–62. doi : 10.1016/j.renene.2013.04.004 .

[11] Кабус Ф., Вольфграмм М., Зейбт А., Ричлак У. и Бостер Х., 2009. Хранение тепловой энергии в водоносном горизонте в Нойбранденбурге - мониторинг в течение трех лет регулярной эксплуатации», Материалы 11-й Международной конференции. по хранению энергии.

[12] Саннер Б., Кабус Ф., Зайбт П. и Бартельс Дж., 2005. Подземное хранилище тепловой энергии для парламента Германии в Берлине, концепция системы и опыт эксплуатации, Труды Всемирного геотермального конгресса, стр. 1–8. . S2CID 55759051

[13] Соммер, Вейб; Валстар, Йохан; ван Гаанс, Полина; Гротенхейс, Тим; Рейнартс, Хууб (декабрь 2013 г.). «Влияние неоднородности водоносного горизонта на производительность накопителя тепловой энергии водоносного горизонта». Исследования водных ресурсов . 49 (12): 8128–8138. дои : 10.1002/2013WR013677 .

[HaehnleinEtal2010-14] Jump up to: ^а ^б Хенляйн, Стефани; Байер, Питер; Блюм, Филипп (декабрь 2010 г.). «Международно-правовой статус использования неглубокой геотермальной энергии». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 14 (9): 2611–2625. дои : 10.1016/j.rser.2010.07.069 .

[15] Бонте, Маттейс; Стуйфзанд, Питер Дж.; Хульсманн, Адриана; Ван Билен, Патрик (2011). «Подземное хранение тепловой энергии: экологические риски и развитие политики в Нидерландах и Европейском Союзе» . Экология и общество . 16 (1): 22. doi : 10.5751/ES-03762-160122 . hdl : 10535/7465 . JSTOR 26268838 . }

[16] Зурбье, Коэн Г.; Хартог, Нильс; Валстар, Йохан; Пост, Винсент Э.А.; ван Брекелен, Борис М. (апрель 2013 г.). «Воздействие систем хранения тепловой энергии в низкотемпературных сезонных водоносных горизонтах (SATES) на грунтовые воды, загрязненные хлорированными растворителями: моделирование распространения и деградации». Журнал загрязняющей гидрологии . 147 : 1–13. Бибкод : 2013JCHyd.147....1Z . дои : 10.1016/j.jconhyd.2013.01.002 . ПМИД 23435174 .

[17] Паркер, Дж. К.; Парк, Э. (май 2004 г.). «Моделирование кинетики растворения плотной неводной фазы жидкостью в гетерогенных водоносных горизонтах» . Исследования водных ресурсов . 40 (5). Бибкод : 2004WRR....40.5109P . дои : 10.1029/2003WR002807 .

[Ni2015-18] Jump up to: ^а ^б Ни, З. (2015) Биоремедиация в водоносных хранилищах тепловой энергии. Диссертация (в печати), Вагенингенский университет.

[19] Саймон, Мэтт (12 апреля 2023 г.). «Массивные «батарейки», спрятанные под вашими ногами» . Проводной . ISSN 1059-1028 . Проверено 13 апреля 2023 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]