Накопление тепловой энергии в водоносном горизонте (ATES) - это хранение и рекуперация тепловой энергии в недрах. ATES применяется для отопления и охлаждения зданий. Хранение и регенерация тепловой энергии достигается за счет извлечения и закачки подземных вод из водоносных горизонтов с помощью скважин подземных вод. Системы обычно работают в сезонном режиме. Подземные воды, которые забираются летом, используются для охлаждения путем передачи тепла от здания к грунтовым водам с помощью теплообменника.. Впоследствии нагретые грунтовые воды закачиваются обратно в водоносный горизонт, что создает хранилище нагретых грунтовых вод. Зимой направление потока меняется на противоположное, так что нагретые грунтовые воды забираются и могут использоваться для отопления (часто в сочетании с тепловым насосом ). Следовательно, при эксплуатации системы ATES недра используется в качестве временного хранилища для буферизации сезонных колебаний потребности в обогреве и охлаждении. При замене традиционных систем отопления и охлаждения, зависящих от ископаемого топлива, ATES может служить рентабельной технологией для снижения потребления первичной энергии в здании и связанных с этим выбросов CO2.
На конференции Организации Объединенных Наций по изменению климата в Копенгагене, Дания, в 2009 году многие страны и регионы поставили перед собой цели по защите климата во всем мире . Европейский Союз также поставил цель сократить выбросы парниковых газов , увеличить использование устойчивой энергии и повысить энергоэффективность . В достижении этой цели ATES действительно может внести значительный вклад, поскольку около 40% мирового потребления энергии приходится на здания и в основном идет на отопление и охлаждение . [1] Поэтому развитию ATES уделялось много внимания, и количество ATES резко увеличилось, особенно в Европе. Например, в Нидерландах было подсчитано, что к 2020 году может быть создано около 20 000 систем ATES. [2] Это может привести к сокращению выбросов CO2 примерно на 11% для цели в Нидерландах. Помимо Нидерландов, Бельгия, Германия, Турция и Швеция также увеличивают применение ATES. ATES может применяться по всему миру при условии подходящих климатических и геогидрологических условий. [3] Поскольку системы ATES накапливаются в городских районах, оптимизация подземного пространства требует внимания в районах с подходящими условиями. [4]
Типы систем
В базовой форме система ATES состоит из двух колодцев (называемых дублетом). Один колодец используется для хранения тепла, а другой - для хранения холода. Зимой (теплые) грунтовые воды забираются из колодца для хранения тепла и закачиваются в колодец для хранения тепла. Летом направление потока меняется на противоположное, так что (холодные) грунтовые воды извлекаются из колодца для хранения тепла и закачиваются в колодец для хранения тепла. Поскольку каждая скважина служит как добывающей, так и нагнетательной, эти системы называются двунаправленными. [5] Также существуют однонаправленные системы. Эти 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.
Накопление тепловой энергии также может быть достигнуто путем циркуляции жидкости через заглубленный теплообменник , который обычно состоит из горизонтального или вертикального трубопровода. Поскольку эти системы не извлекают и не нагнетают грунтовые воды, они называются закрытыми системами и известны как скважинные аккумуляторы тепловой энергии или тепловые насосы из грунтовых источников . Еще одно тепловое применение, в котором недра используется для выработки тепловой энергии, - это производство геотермальной энергии , при котором обычно используются более глубокие недра, где температура выше.
История
Первое сообщение о преднамеренном хранении тепловой энергии в водоносных горизонтах было в Китае примерно в 1960 году. [6] Первые системы ATES были построены для промышленного охлаждения в Шанхае. [7] Там было извлечено большое количество грунтовых вод для охлаждения, в частности, на текстильных фабриках. [7] Это привело к значительному проседанию земли. Для предотвращения проседания в водоносный горизонт закачивали холодную поверхностную воду. Впоследствии было замечено, что хранимая вода оставалась холодной после закачки и могла быть использована для промышленного охлаждения. В 1970-х годах было предложено дополнительно хранить тепловую энергию в водоносных горизонтах, что привело к полевым экспериментам и технико-экономическим обоснованиям во Франции, Швейцарии, США и Японии. [8] Официальной статистики о количестве и размере систем ATES в мире нет. Однако в настоящее время во всем мире действует более 2800 систем ATES, потребляющих более 2,5 ТВтч отопления и охлаждения в год. [7] Считается, что Нидерланды и Швеция доминируют на рынке с точки зрения реализации. [6] 85% всех систем расположены в Нидерландах, а еще 10% - в Швеции, Дании и Бельгии. [7] В 2012 году в Швеции было около 104 систем ATES общей мощностью 110 МВт. [9] Количество систем ATES в Нидерландах в том же году составило 2740 с общей расчетной мощностью 1103 МВт. [10]
Типовые размеры
Скорость потока для типичных применений в коммунальном хозяйстве составляет от 20 до 150 м 3 / час на каждую скважину. Общий объем подземных вод, которые хранятся и восстанавливаются в течение года, обычно колеблется от 10 000 м 3 до 150 000 м 3 на скважину. [11] Глубина, на которой применяется ATES, обычно колеблется от 20 до 200 метров под поверхностью. Температура на этих глубинах обычно близка к среднегодовой температуре поверхности. В умеренном климате это около 10 ° C. В этих регионах обычно применяется холодное хранение при температуре от 5 до 10 ° C, а аккумулирование тепла в диапазоне от 10 до 20 ° C. Хотя и реже, но также сообщается о некоторых проектах, в которых сохранялось тепло выше 80 ° C. [12] [13]
Гидрогеологические ограничения
Экономия энергии, которую можно достичь с помощью ATES, сильно зависит от геологии объекта. В основном, ATES требует наличия подходящего водоносного горизонта, способного принимать и выводить воду. Поэтому выбираются мощные (> 10 м) песчаные водоносные горизонты. Естественный поток подземных вод может переносить (часть) накопленной энергии за пределы зоны улавливания скважины во время фазы накопления. [14] Для уменьшения адвективных потерь тепла предпочтительны водоносные горизонты с низким гидравлическим градиентом. Кроме того, следует избегать градиентов в геохимическом составе, поскольку смешивание воды с различными геохимическими характеристиками может увеличить засорение, что снизит производительность скважины и приведет к увеличению затрат на техническое обслуживание.
Правовой статус
Правовой статус неглубоких геотермальных установок (<400 м) в разных странах различен. [15] Правила установки скважин касаются использования опасных материалов и надлежащей засыпки буровой скважины во избежание гидравлического короткого замыкания между водоносными горизонтами. Другое законодательство касается защиты территорий подземных вод для питьевого водоснабжения. [16] Некоторые страны принимают ограничения на минимальную и максимальную температуру хранения. Например, Австрия (5–20 ° C), Дания (2–25 ° C) и Нидерланды (5–25 ° C). В то время как другие страны принимают максимальное изменение температуры грунтовых вод, например Швейцария (3 ° C) и Франция (11 ° C). [15]
Взаимодействие с хлорированными этенами (ХВОС)
ATES в настоящее время не разрешается применять в загрязненных водоносных горизонтах из-за возможного распространения загрязнителей в подземных водах [17], особенно в городских районах. Это приведет к ухудшению качества грунтовых вод, которые также являются важным источником питьевой воды. Несмотря на правила, принятые для предотвращения вмешательства между ATES и загрязнителями подземных вод, вероятность их столкновения возрастает из-за быстрого увеличения количества ATES и медленного прогресса в восстановлении загрязнения подземных вод в городских районах. Среди обычных загрязнителей подземных вод хлорированные этены имеют больше шансов повлиять на систему ATES, поскольку они часто находятся на той же глубине, что и ATES. Когда хлорированные этены присутствуют в виде плотной жидкости в неводной фазе (DNAPL), возможное растворение DNAPL под действием ATES окажет более серьезное воздействие на качество грунтовых вод. [18]
Возможное применение на загрязненной территории
Возможное взаимодействие между ATES и хлорированными этенами также рассматривается как возможность интеграции устойчивых энергетических технологий и устойчивого управления подземными водами. Комбинация ATES и улучшенной биоремедиации, впервые представленная в проекте «Больше с подповерхностной энергией» (Meer met Bodemenergie, MMB) в Нидерландах в 2009 году. [19] Несколько научных и практических обоснований являются основами для рассмотрения такой комбинации как многообещающей возможности . [20] Повышенная температура вокруг теплого колодца может усилить восстановительное дехлорирование хлорированных этенов. Хотя низкая температура в холодном колодце может препятствовать биоразложению, сезонная работа ATES может переносить загрязняющие вещества из холодного колодца в горячий колодец для более быстрого биоразложения. Такой сезонный перенос грунтовых вод также может улучшить состояние окружающей среды. ATES также может использоваться в качестве биостимуляции, например, для введения донора электронов или микроорганизмов, необходимых для восстановительного дехлорирования. Наконец, срок службы ATES (30 лет) соответствует продолжительности биоремедиации in situ.
Социальные воздействия
Комбинированная концепция ATES и улучшенного естественного затухания (ATES-ENA), возможно, может быть использована в Нидерландах и Китае, особенно в урбанизированных районах. Эти районы в обеих странах сталкиваются с органическим загрязнением грунтовых вод. В настоящее время концепция комбинации может быть лучше применима для Нидерландов с более развитой технологией и применением ATES. И совпадение между ATES и загрязнением грунтовых вод также способствует необходимости этой комбинированной технологии. Однако для Китая, где ATES гораздо менее развита по сравнению с Нидерландами, важными преимуществами являются то, что гораздо больше демонстрационных пилотных проектов можно настроить до реальных приложений, а гибкие системы могут быть разработаны из-за менее интенсивного давления на недропользование. на ATES по сравнению с Нидерландами. [20] Для устойчивого развития городов комбинированная технология ATES-ENA может внести вклад в решение как энергетических, так и экологических проблем.
Рекомендации
- ^ Де Роса, Маттиа; Бьянко, Винченцо; Скарпа, Федерико; Тальяфико, Лука А. (2014). «Оценка потребности здания в энергии для отопления и охлаждения; упрощенная модель и модифицированный подход градусо-дней». Прикладная энергия . 128 : 217–229. DOI : 10.1016 / j.apenergy.2014.04.067 .
- ^ Годшалк, MS; Бакема, Г. (2009). «20 000 систем ATES в Нидерландах в 2020 году - важный шаг на пути к устойчивому энергоснабжению» (PDF) . Труды Эффстока . Архивировано из оригинального (PDF) 13 июня 2013 года . Проверено 14 октября 2016 .
- ^ Bloemendal, M .; Olsthoorn, TO; ван де Вен, Ф. (2015). «Комбинирование климатических и геогидрологических предпосылок как метод определения мирового потенциала для хранения тепловой энергии в водоносных горизонтах» . Наука об окружающей среде в целом . 538 : 104–114. Bibcode : 2015ScTEn.538..621B . DOI : 10.1016 / j.scitotenv.2015.07.084 . PMID 26322727 .
- ^ Bloemendal, M .; Olsthoorn, TO; Бунс, Ф. (2014). «Как достичь оптимального и устойчивого использования недр для хранения тепловой энергии в водоносном горизонте». Энергетическая политика . 66 : 621. DOI : 10.1016 / j.enpol.2013.11.034 .
- ^ Дикинсон, Дж. С.; Буйк, Н .; Мэтьюз, MC; Снидерс, А. (2009). «Накопитель тепловой энергии в водоносном горизонте: теоретический и оперативный анализ». Геотехника . 59 (3): 249–260. DOI : 10,1680 / geot.2009.59.3.249 . ISSN 0016-8505 .
- ^ а б Паксой, Халиме О., изд. (2007). Хранение тепловой энергии для устойчивого энергопотребления: основы, тематические исследования и дизайн . Научная серия НАТО. Серия II, Математика, физика и химия. 234 . Springer Science & Business Media . ISBN 9781402052903. LCCN 2007475275 . OCLC 80331468 .
- ^ а б в г Флёхаус П., Годшалк Б., Штобер И., Блюм П., изд. (2018). «Мировое применение накопителей тепловой энергии в водоносных горизонтах - обзор». Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 94 : 861–876. DOI : 10.1016 / j.rser.2018.06.057 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Цанг, К.Ф., Д. Хопкинс и Г. Хеллстром, Хранение тепловой энергии в водоносном горизонте - обзор. 1980, Лаборатория Лоуренса Беркли.
- ^ Andersson, О. Дж Ekkestubbe и А. Ekdahl, УТЕС (Underground Thermal Energy Storage) -applications и развитие рынка в Швеции. J. Energ. Pow. Eng, 2013. 7: с. 669
- ^ CBS, Hernieuwbare energie in Nederland 2012 (Возобновляемая энергия в Нидерландах, 2012). 2013, Центральное бюро статистики: Den Haag
- ^ Бакр, М., ван Остром, Н. и Соммер, В., 2013. Эффективность и взаимовлияние нескольких систем хранения тепловой энергии водоносного горизонта; Пример из Голландии. Возобновляемая энергия, 60: 53–62.
- ↑ Kabus, F., Wolfgramm, M., Seibt, A., Richlak, U. and Beuster, H., 2009. Накопление тепловой энергии водоносного горизонта в Нойбранденбурге - мониторинг в течение трех лет регулярной эксплуатации », Труды 11-й Международной конференции по хранению энергии.
- ^ Саннер, Б., Кабус, Ф., Зейбт, 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 .
- ^ Зоммер, В., Валстар, Дж., Гаанс, П., Гротенхейс, Т. и Райнаартс, Х., 2013. Влияние неоднородности водоносного горизонта на эффективность накопления тепловой энергии водоносного горизонта. Исследование водных ресурсов, 49 (12): 8128–8138.
- ^ a b Haehnlein, S., Bayer, P. и Blum, P., 2010. Международно-правовой статус использования неглубокой геотермальной энергии. Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, 14 (9): 2611–2625.
- ^ Bonte, М., Stuyfzand, PJ, Hülsmann, А. Ван Беелен, P., 2011. Подземное хранение тепловой энергии: экологические риски и разработки политики в Нидерландах и Европейском Союзе. Эколог Соц., 16 (1): 22.
- ^ Zuurbier, К., Хартог, Н., Valstar J., сообщение, VE и ван Брекелен, Б. М., 2013. Влияние низкотемпературной сезонного водоносного хранения тепловой энергии (Насыщается) системы на хлорированного растворителя загрязненных подземных вод: Моделирование распространения и деградация. Журнал гидрологии загрязнителей, 147: 1–13.
- ^ Паркер, Дж. К. и Парк, Э., 2004. Моделирование кинетики растворения плотной неводной фазы жидкости в масштабе месторождения в гетерогенных водоносных горизонтах. Исследование водных ресурсов, 40 (5).
- ^ «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2015-08-23 . Проверено 3 сентября 2015 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ a b Ni, Z. (2015) Биоремедиация в накоплении тепловой энергии в водоносных горизонтах. Диссертация (в печати), Университет Вагенингена.