Skladování tepelné energie aquifer - Aquifer thermal energy storage - Wikipedia

Skladování tepelné energie aquifer (ATES) je úložný prostor a zotavení Termální energie v podpovrchu. ATES se používá k zajištění vytápění a chlazení budov. Skladování a rekuperace tepelné energie se dosahuje extrakcí a vstřikováním podzemní voda z vodonosné vrstvy pomocí studní podzemní vody. Systémy běžně fungují v sezónním režimu. Podzemní voda, která se získává v létě, se používá k chlazení přenosem tepla z budovy do podzemní vody pomocí a výměník tepla. Následně je ohřátá podzemní voda vstřikována zpět do zvodnělé vrstvy, což vytváří akumulaci ohřáté podzemní vody. V zimním období je směr průtoku obrácen, takže se odebírá ohřátá podzemní voda a lze ji použít k vytápění (často v kombinaci s tepelné čerpadlo ). Proto provozování systému ATES využívá podpovrchovou vrstvu jako dočasné úložiště k vyrovnávání sezónních výkyvů v požadavcích na vytápění a chlazení. Při výměně tradičních systémů vytápění a chlazení závislých na fosilních palivech může ATES sloužit jako nákladově efektivní technologie ke snížení spotřeby primární energie budovy a souvisejících emisí CO2.

V roce 2009 Konference OSN o změně klimatu v Kodani v Dánsku si mnoho zemí a regionů stanovilo cíle pro globální ochrana klimatu. Evropská unie rovněž stanovila cíl snížit emise skleníkových plynů, zvýšit používání udržitelná energie a zlepšovat se energetická účinnost. K tomuto cíli může ATES ve skutečnosti významně přispět, přibližně 40% globální spotřeba energie se provádí budovami a je hlavně pro topení a chlazení.[1] Vývoju ATES byla proto věnována velká pozornost a počet ATES se dramaticky zvýšil, zejména v Evropě. Například v Nizozemsku se odhadovalo, že do roku 2020 bude možné dosáhnout přibližně 20 000 systémů ATES.[2] To pro cíl Nizozemska může přinést snížení emisí CO2 přibližně o 11%. Kromě Nizozemska také aplikace ATES zvyšuje používání Belgie, Německa, Turecka a Švédska. ATES lze použít po celém světě, pokud budou klimatické podmínky a geohydrologické podmínky jsou správné.[3] Jak se systémy ATES kumulují v městských oblastech, vyžaduje optimalizace podpovrchového prostoru pozornost v oblastech s vhodnými podmínkami.[4]

Typy systémů

V základní formě se systém ATES skládá ze dvou jamek (nazývaných dublet). Jedna studna se používá pro akumulaci tepla a druhá pro skladování v chladu. Během zimy se (teplá) podzemní voda získává ze studny pro skladování tepla a vstřikuje se do studené studny. Během léta se směr proudění obrací tak, že (studená) podzemní voda se odebírá ze studené studny a vstřikuje se do studny. Protože každá jamka slouží zároveň jako těžební i vstřikovací, tyto systémy se nazývají obousměrné.[5] Existují také jednosměrné systémy. Tyto systémy nemění směr čerpání, takže podzemní voda je vždy odebírána při přirozené teplotě zvodnělé vrstvy. Přestože je tepelná energie uložena v podpovrchové vrstvě, obvykle není záměrem ji akumulovat.

Skladování tepelné energie lze dosáhnout také cirkulací tekutiny skrz pohřben výměník tepla, který se obvykle skládá z vodorovného nebo svislého potrubí. Protože tyto systémy nečerpají ani nevstřikují podzemní vodu, nazývají se uzavřené systémy a jsou známé jako akumulace tepelné energie vrtů nebo tepelná čerpadla země. Další tepelnou aplikací, která využívá podpovrch k zajištění tepelné energie, je geotermální energie výroba, která běžně využívá hlubší podpovrchovou oblast, kde je teplota vyšší.

Dějiny

První hlášené záměrné skladování tepelné energie ve vodonosných vrstvách bylo v Číně kolem roku 1960.[6] První systémy ATES byly postaveny pro průmyslové chlazení v Šanghaji. [7] Tam se těžilo velké množství podzemní vody, aby se zásobovalo chlazením zejména v textilních továrnách. [7] To vedlo k podstatnému poklesu půdy. Aby se zabránilo poklesu, byla do vodonosné vrstvy vstřikována studená povrchová voda. Následně bylo pozorováno, že skladovaná voda po vstřikování zůstala studená a mohla být použita pro průmyslové chlazení. Skladování tepelné energie ve vodonosných vrstvách bylo dále navrženo v 70. letech, což vedlo k polním experimentům a studiím proveditelnosti ve Francii, Švýcarsku, USA a Japonsku.[8] Po celém světě neexistují žádné oficiální statistiky o počtu a velikosti systémů ATES. Na celém světě je však v současné době v provozu více než 2 800 systémů ATES, což ročně odebírá více než 2,5 TWh vytápění a chlazení. [7] Nizozemsko a Švédsko se považují za dominující na trhu, pokud jde o provádění.[6] 85% všech systémů se nachází v Nizozemsku a dalších 10% se nachází ve Švédsku, Dánsku a Belgii. [7] V roce 2012 existovalo ve Švédsku přibližně 104 systémů ATES s celkovou kapacitou 110 MW.[9] Počet systémů ATES v Nizozemsku ve stejném roce byl 2740 s celkovou odhadovanou kapacitou 1103 MW.[10]

Typické rozměry

Průtoky pro typické aplikace v sektoru veřejných služeb jsou mezi 20 a 150 m3/ hod pro každou jamku. Celkový objem podzemní vody, která je skladována a regenerována za rok, se obvykle pohybuje mezi 10 000 m3 a 150 000 m3 na studnu.[11]Hloubka, ve které je ATES aplikován, se obvykle pohybuje mezi 20 a 200 metry pod povrchem. Teplota v těchto hloubkách je obecně blízká průměrné roční povrchové teplotě. V mírném podnebí je to kolem 10 ° C. V těchto oblastech se skladování za studena běžně používá mezi 5 a 10 ° C a skladování tepla v rozmezí 10 až 20 ° C. I když jsou méně časté, uvádějí se také některé projekty, ve kterých bylo teplo skladováno nad 80 ° C.[12][13]

Hydrogeologická omezení

Úspory energie, kterých lze dosáhnout pomocí ATES, silně závisí na geologii lokality. ATES hlavně vyžaduje přítomnost vhodné zvodnělé vrstvy, která je schopna přijímat a poskytovat vodu. Proto jsou vybrány tlusté (> 10 m) písčité kolektory. Přirozený tok podzemní vody může během fáze akumulace transportovat (část) akumulované energie mimo záchytnou zónu vrtu.[14] Aby se snížily nežádoucí tepelné ztráty, jsou preferovány kolektory s nízkým hydraulickým spádem. Kromě toho je třeba se vyhnout gradientům v geochemickém složení, protože míchání vody s různými geochemiemi může zvýšit ucpání, což sníží výkon studny a povede ke zvýšeným nákladům na údržbu.

Právní status

Právní status mělkých geotermálních zařízení (<400 m) se mezi zeměmi liší.[15] Předpisy pro instalaci vrtů se týkají použití nebezpečných materiálů a řádného zasypání vrtného otvoru, aby se zabránilo hydraulickému zkratu mezi vodonosnými vrstvami. Další právní předpisy se týkají ochrany oblastí podzemních vod pro zásobování pitnou vodou.[16] Některé země přijímají limity pro minimální a maximální teploty skladování. Například Rakousko (5–20 ° C), Dánsko (2–25 ° C) a Nizozemsko (5–25 ° C). Zatímco jiné země přijímají maximální změnu teploty podzemní vody, například Švýcarsko (3 ° C) a Francie (11 ° C).[15]

Rušení s chlorované etheny (CVOC)

ATES se v současné době nesmí používat ve znečištěných vodonosných vrstvách z důvodu možného šíření kontaminujících látek v podzemních vodách podpovrchové vody,[17] zejména v městských oblastech. To povede ke zhoršení kvality podzemní vody, která je rovněž důležitým zdrojem pitné vody. Navzdory předpisům přijatým k zabránění interference mezi ATES a znečišťujícími látkami v podzemních vodách však možnost jejich setkání stoupá, a to kvůli rychlému nárůstu počtu ATES a pomalému postupu sanace kontaminace podzemních vod v městské oblasti. Mezi běžnými kontaminanty podzemních vod mají největší šanci interferovat se systémem ATES chlorované ethery, protože se často nacházejí v podobné hloubce jako ATES. Pokud jsou chlorované ethery přítomny jako Hustá kapalná nevodná fáze (DNAPL), možné rozpuštění DNAPL pomocí ATES způsobí závažnější dopad na kvalitu podzemní vody.[18]

Možné použití v kontaminovaném prostředí

Ilustrace příslušných procesů v systému ATES-ENA.

Možné interference mezi ATES a chlorovanými ethery byly také považovány za příležitost integrace udržitelné energetické technologie a udržitelného hospodaření s podzemními vodami. Kombinace ATES a vylepšené bioremediace poprvé představen v rámci projektu „More with SubSurface Energy“ (Meer met Bodemenergie, MMB) v Nizozemsku v roce 2009.[19] Několik vědeckých a praktických zdůvodnění je základem pro to, abychom viděli takovou kombinaci jako slibnou možnost.[20] Zvýšená teplota kolem teplé studny může zvýšit redukční dechloraci chlorovaných etherů. Ačkoli nízká teplota ve studené studni může bránit biodegradaci, sezónní provoz ATES může přenést kontaminující látku ze studené studny do horké studny pro rychlejší biodegradaci. Taková sezónní přeprava podzemní vody může také homogenizovat stav prostředí. ATES lze použít také jako biostimulaci, například k injekci elektronového donoru nebo mikroorganismu potřebného pro redukční dechloraci. Konečně doba života ATES (30 let) odpovídá dlouhé době bioremediace in situ.

Společenské dopady

Koncept kombinace ATES a zesíleného přirozeného útlumu (ATES-ENA) lze případně použít v Nizozemsku a Číně, zejména v urbanizovaných oblastech. Tyto oblasti jsou v obou zemích konfrontovány s organickým znečištěním podzemních vod. V současné době může být koncept kombinace lépe použitelný pro Nizozemsko s vyspělejší technologií a aplikací ATES. Překrývání mezi ATES a znečištěním podzemních vod také podporuje potřebu této kombinované technologie. Pro Čínu, kde je ATES ve srovnání s Nizozemskem mnohem méně rozvinutý, je však důležitou výhodou to, že před skutečnými aplikacemi může být nastaveno mnohem více demonstračních pilotních projektů a mohou být vyvinuty flexibilní systémy kvůli méně intenzivnímu tlaku na podpovrchové využití ATES ve srovnání s Nizozemskem.[20] Pro udržitelný rozvoj měst může kombinovaná technologie ATES-ENA přispět k řešení jak energetických, tak ekologických problémů.

Reference

  1. ^ De Rosa, Mattia; Bianco, Vincenzo; Scarpa, Federico; Tagliafico, Luca A. (2014). „Vyhodnocení energetické poptávky po vytápění a chlazení v budově; zjednodušený model a přístup upraveného stupně dnů“. Aplikovaná energie. 128: 217–229. doi:10.1016 / j.apenergy.2014.04.067.
  2. ^ Godschalk, M.S .; Bakema, G. (2009). „20 000 systémů ATES v Nizozemsku v roce 2020 - významný krok k udržitelným dodávkám energie“ (PDF). Řízení Effstock. Archivovány od originál (PDF) dne 2013-06-13. Citováno 2016-10-14.
  3. ^ Bloemendal, M .; Olsthoorn, T.O .; van de Ven, F. (2015). „Kombinace klimatických a geo-hydrologických podmínek jako metody pro stanovení světového potenciálu pro akumulaci tepelné energie aquifer“. Věda o celkovém prostředí. 538: 104–114. Bibcode:2015ScTEn.538..621B. doi:10.1016 / j.scitotenv.2015.07.084. PMID  26322727.
  4. ^ Bloemendal, M .; Olsthoorn, T.O .; Boons, F. (2014). „Jak dosáhnout optimálního a udržitelného využití podpovrchové vrstvy pro akumulaci tepelné energie Aquifer“. Energetická politika. 66: 621. doi:10.1016 / j.enpol.2013.11.034.
  5. ^ Dickinson, J. S .; Buik, N .; Matthews, M. C .; Snijders, A. (2009). "Aquifer akumulace tepelné energie: teoretická a provozní analýza". Geotechnika. 59 (3): 249–260. doi:10.1680 / geot.2009.59.3.249. ISSN  0016-8505.
  6. ^ A b Paksoy, Halime Ö., Vyd. (2007). Skladování tepelné energie pro udržitelnou spotřebu energie: základy, případové studie a design. Vědecká řada NATO. Řada II, Matematika, fyzika a chemie. 234. Springer Science & Business Media. ISBN  9781402052903. LCCN  2007475275. OCLC  80331468.
  7. ^ A b C d Fleuchaus, P., Godschalk, B., Stober, I., Blum, P., ed. (2018). „Celosvětové použití akumulace tepelné energie aquifer - recenze“. Recenze obnovitelné a udržitelné energie. 94: 861–876. doi:10.1016 / j.rser.2018.06.057. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  8. ^ Tsang, C.F., D. Hopkins a G. Hellstrom, akumulace tepelné energie Aquifer - průzkum. 1980, Lawrence Berkeley Laboratory.
  9. ^ Andersson, O., J. Ekkestubbe a A. Ekdahl, UTES (Underground Thermal Energy Storage) - aplikace a rozvoj trhu ve Švédsku. J. Energ. Pow. Eng, 2013. 7: str. 669
  10. ^ CBS, Hernieuwbare energie in Nederland 2012 (Renewable energy in the Netherlands 2012). 2013, Centraal bureau voor de statistiek: Den Haag
  11. ^ Bakr, M., van Oostrom, N. a Sommer, W., 2013. Účinnost a interference mezi více systémy akumulace tepelné energie Aquifer; Holandská případová studie. Obnovitelná energie, 60: 53–62.
  12. ^ Kabus, F., Wolfgramm, M., Seibt, A., Richlak, U. a Beuster, H., 2009. Skladování tepelné energie Aquifer v Neubrandenburgu - monitorování během tří let pravidelného provozu “, Sborník z 11. mezinárodní konference o Zásobárna energie.
  13. ^ Sanner, B., Kabus, F., Seibt, P. a Bartels, J., 2005. Podzemní skladování tepelné energie pro německý parlament v Berlíně, koncepce systému a provozní zkušenosti, sborník světového geotermálního kongresu, s. 1–8.
  14. ^ Sommer, W., Valstar, J., Gaans, P., Grotenhuis, T. a Rijnaarts, H., 2013. Dopad heterogenity aquifer na výkon akumulace tepelné energie aquifer. Výzkum vodních zdrojů, 49 (12): 8128–8138.
  15. ^ A b Haehnlein, S., Bayer, P. a Blum, P., 2010. Mezinárodní právní status využívání mělké geotermální energie. Recenze obnovitelné a udržitelné energie, 14 (9): 2611–2625.
  16. ^ Bonte, M., Stuyfzand, P.J., Hulsmann, A. a Van Beelen, P., 2011. Podzemní skladování tepelné energie: rizika pro životní prostředí a vývoj politiky v Nizozemsku a Evropské unii. Ecol Soc, 16 (1): 22.
  17. ^ Zuurbier, K.G., Hartog, N., Valstar, J., Post, V.E. a van Breukelen, B.M., 2013. Dopad systémů nízkoteplotního sezónního akumulace tepelné energie aquifer (SATES) na podzemní vody kontaminované chlorovaným rozpouštědlem: Modelování šíření a degradace. Journal of kontaminant hydrology, 147: 1–13.
  18. ^ Parker, J.C. a Park, E., 2004. Modelování polní kinetiky husté nevodné fáze kapalného rozpouštění v heterogenních kolektorech. Výzkum vodních zdrojů, 40 (5).
  19. ^ „Archivovaná kopie“. Archivovány od originál dne 2015-08-23. Citováno 2015-09-03.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
  20. ^ A b Ni, Z. (2015) Bioremediace v akumulaci tepelné energie aquifer. Disertační práce (v tisku), Wageningen University.