Głównym celem rozpoczętego projektu jest kompleksowa analiza krajowych warunków geologicznych i hydrogeologicznych występujących na głębokości do 200 m p.p.t. Badania będą dotyczyły możliwości pozyskania energii i magazynowania niskotemperaturowego ciepła i chłodu w zakresie od ok. 5°C do ok. 25°C. Ze względu na istotność podjętych badań oraz ogólnopolski zasięg, projekt jest realizowany we współpracy naukowej z Instytutem Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN oraz Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie.

Analiza zostanie przeprowadzona w oparciu o materiały archiwalne i zasoby baz danych geologicznych, hydrogeologicznych i hydrochemicznych PIG-PIB. Przewidziano również możliwość dodatkowego opróbowania wód podziemnych w wybranych punktach dla przeprowadzenia dodatkowych analiz chemicznych wód głównie w zakresie zawartości związków nieorganicznych. Wyniki badań zostaną zaprezentowane w serwisach internetowych geolog.pgi.gov.pl; geologia.pgi.gov.pl. W razie pozytywnej oceny możliwości zastosowania technologii ATES w Polsce, wytypowany/e zostanie/ą najbardziej perspektywiczny/e rejon/y dla wykonania instalacji pilotażowej.

O ile ocena warunków geologicznych i hydrogeologicznych ma kluczowe znaczenie dla oceny możliwości wykorzystania technologii w Polsce, ewentualne stosowanie magazynowania ciepła i chłodu w poziomach wodonośnych wymaga odpowiednich uwarunkowań prawnych. W ramach rozpoczętego projektu przeprowadzona zostanie ocena istniejących przepisów pod kątem możliwości inwestycyjnych planowania, budowy i eksploatacji tzw. systemów otwartych w płytkiej geotermii wraz z dodatkowym magazynowaniem w nich energii cieplnej.

Współpraca z szerokim zespołem prawników specjalizujących się w różnych dziedzinach prawa ma zapewnić nie tylko analizę istniejących przepisów, ale też wskazanie potencjalnych słabości obowiązującego systemu prawnego w kontekście technologii ATES oraz zaproponowanie nowych rozwiązań.

Ważnym elementem projektu będzie również analiza oddziaływań środowiskowych systemów magazynowania energii w płytkich warstwach wodonośnych oraz potencjalnych zagrożeń tak dla środowiska ze strony takich systemów jak i ewentualnych konfliktów eksploatacji instalacji ATES z innymi obiektami infrastruktury, w tym istniejącymi i przyszłymi ujęciami wód podziemnych.

Jak działa system ATES?

Systemy niskotemperaturowego magazynowania ciepła i chłodu w warstwie wodonośnej mogą działać w układzie sezonowym lato-zima lub w trybie ciągłym. W obu przypadkach niezbędne jest wykonania co najmniej jednej pary otworów, czyli tzw. dubletu, udostępniającego wytypowany poziom wodonośny.

W systemie sezonowym jeden z otworów pełni rolę otworu zimnego, służącego pozyskaniu/magazynowaniu chłodu, a drugi rolę otworu ciepłego – dla pozyskania/magazynowania ciepła. W sezonie letnim woda wydobywana z otworu zimnego odbiera ciepło z klimatyzowanego budynku i jest zatłaczana do otworu ciepłego, natomiast w sezonie zimowym następuje odwrócenie obiegu i woda z otworu ciepłego kierowana jest na parowacz sprężarkowej pompy ciepła, skąd po oddaniu ciepła zatłoczona zostaje do otworu zimnego.

Systemy ATES pracujące w trybie cyklicznym wymagają występowania warstwy wodonośnej zdolnej do gromadzenia i oddawania wody (piaski i żwiry wodonośne o miąższości >10 m, zwykle 20-50 m), o wysokim (powyżej 1•10-5 m/s) współczynniku filtracji, a jednocześnie niewielkim gradiencie hydraulicznym i niskiej naturalnej prędkości przepływu wód (<25 m/rok), co pozwala na minimalizację adwekcyjnych strat ciepła, ograniczonej od dołu i góry warstwami słaboprzepuszczalnymi (np. glinami) w celu ochrony przed mieszaniem się wód podgrzanych z chłodniejszymi, np. wodami opadowymi.

Istotne są również właściwości termiczne ośrodka skalnego – utwory w stropie i spągu poziomu wodonośnego eksploatowanego przez system ATES powinny charakteryzować się niskim przewodnictwem cieplnym, ograniczającym pionową dyssypację energii cieplnej.

W systemie ATES pracującym w trybie ciągłym każdy z otworów pełni ściśle określoną rolę. Otwór chłonny usytuowany jest powyżej otworu produkcyjnego, na dopływie wód. Otwór produkcyjny znajduje się na kierunku spływu wód od otworu chłonnego w takiej odległości, żeby zgromadzona w zatłaczanej wodzie energia mogła w odpowiednim czasie przemieścić się do jego strefy zasilania. Teoretycznie systemy takie mają zastosowanie w poziomach wodonośnych o znacznej prędkości przepływu wód (>50 m/rok). W tym trybie systemy ATES operują na niższej różnicy temperatur pomiędzy naturalną temperaturą warstwy wodonośnej a strefami wokół otworów produkcyjnych i chłonnych, przez co charakteryzują się mniejszą efektywnością energetyczną.

W obu modelach należy unikać gradientów hydrogeochemicznych, które mogą powodować kolmatację filtrów studziennych, a w efekcie obniżenie wydajności studni i w konsekwencji spadek sprawności całego systemu.