Накопление тепловой энергии в водоносном горизонте (НТЭВГ) – технология хранения и восстановления тепловой энергии под поверхностью почвы. НТЭВГ используется для отопления и охлаждения зданий. Хранение и восстановление тепловой энергии достигается за счет извлечения и впрыскивания грунтовых вод из водоносных горизонтов с помощью водозаборных скважин. Чаще всего система работает в сезонном режиме. Грунтовые воды, извлекаемые летом, используются для охлаждения помещения за счет переноса тепла оттуда к грунтовым водам с помощью теплообменника. Следовательно, нагретые грунтовые воды впрыскиваются в водоносный горизонт, где они и хранятся. В зимнее время направление течения меняется в обратную сторону, так что нагретые грунтовые воды извлекаются и могут использоваться для отопления (часто – вместе с тепловым насосом). Вследствие этого, работа системы НТЭВГ использует нижний горизонт почвы в качестве временного хранилища для обеспечения сезонных колебаний в потребности в отоплении и охлаждении.
В случае замены традиционных систем отопления и охлаждения, работающих на обычном ископаемом топливе НТЭВГ может послужить рентабельной технологии для уменьшения потребления зданиями первичной энергии и объемов сопровождающих его производство выбросов углекислого газа.
В ходе Конференции ООН по изменению климата, прошедшей в 2009 году в Копенгагене (Дания), многие страны и регионы создали список целей для защиты климата планеты. Европейский Союз также поставило цель уменьшить выбросы парниковых газов, увеличить долю устойчивой энергетики и увеличить энергосбережение. В достижение этих целей НТЭВГ уже сегодня вносит существенный вклад, так как примерно 40 % мирового потребления энергии приходится на здания, и происходит это, главным образом, через отопления и охлаждение. Поэтому развитие НТЭВГ привлекло большое внимание, и количество систем этого типа очень быстро возросло, особенно – в Европе. К примеру, в Нидерландах ожидается создание примерно 20 000 систем НТЭВГ к 2020 году. Это может привести к сокращению выбросов углекислого газа примерно на 11 % в стране. Помимо Нидерландов, к более частому использованию НТЭВГ стремятся Бельгия, Германия, Турция и Швеция. НТЭВГ может применяться по всему миру, если это позволяют климатические и гидрогеологические условия. Так как системы НТЭВГ накапливаются в городских районах, это требует внимания к районам с оптимальными условиями нижнего горизонта почвы.
Типы систем
В основном системы НТЭВГ состоят из двух источников (пара). Один из них используется для накопления тепла, а другой – для накопления холода. Зимой (теплые) грунтовые воды извлекаются из хранящего тепло источника и впрыскиваются в источник для накопления холода. Летом направление течения меняется с точностью до наоборот, так что (холодные) грунтовые воды извлекаются из хранящего холод источника и впрыскиваются в источник, хранящий тепло. Так как каждый источник служит как для добычи, так и для впрыскивания, эти системы называются двунаправленными. Также существуют однонаправленные системы. Они не меняют направление накачивания, так что грунтовые воды всегда извлекаются из водоносного горизонта при естественной температуре. Хотя тепловая энергия накапливается в нижнем горизонте, обычно не ставится цели вернуть накапливаемую энергию.
Накопление тепловой энергии также может быть реализовано за счет циркуляции жидкости через утопленный теплообменник, состоящий, как правило, из горизонтального или вертикального трубопровода. Так как эти системы не извлекают или не впрыскивают грунтовые воды, их называют замкнутыми системами, системами накопления тепловой энергии в скважинах или тепловыми насосами, использующими теплоту грунта. Еще одна область, использующая тепло в нижнем горизонте, нужна для обеспечения тепловой энергии для производства энергии из геотермальных источников, что чаще всего применяется на более глубоких горизонтах почвы, где температура выше.
История
О первой удачной разработке для НТЭВГ было сообщено в Китае в 1960 году. Там большие объемы грунтовых вод извлекались для обеспечения охлаждения промышленных предприятий. Это приводило к серьезному оседанию грунта. Для его предотвращения холодные поверхностные воды впрыскивались в водоносный горизонт. Следовательно, считалось, что накопленная вода оставалась холодной после впрыскивания и могла использоваться для промышленного охлаждения. Системы для НТЭВГ в дальнейшем предлагались в 1970-х годах, что привело к полевым испытаниям и изучению возможности применения во Франции, Швейцарии, США и Японии. Нет официальных данных о количестве и размерах систем НТЭВГ по всему миру. Однако Нидерланды и Швеция считаются лидерами на рынке, если говорить о практическом воплощении технологии. В Швеции по состоянию на 2012 год находилось 104 системы НТЭВГ с общей мощностью в 110 МВт. Количество систем НТЭВГ в тот же период в Нидерландах составлял 2740 единиц с общей оцениваемой мощностью в 1 103 МВт.
Типичные параметры
Скорость потока для стандартного использования в коммунальном хозяйстве составляет от 20 до 150 м3/ч для каждого источника. Общий объем грунтовых вод, накапливаемых и восстанавливаемых в течение года, как правило, варьируется от 10 000 до 150 000 м3 для источника. Глубина использования систем НТЭВГ чаще всего колеблется от 20 до 200 м. под землей. Температура на этих глубинах часто близка к средней годовой температуре на поверхности. В средних климатических поясах этот показатель составляет около 10 C. В тех регионах, где распространено накопление холода, температуры колеблются от 5 до 10 C, а в случае накопления тепла – от 10 C до 20 C. Несмотря на свою малочисленность, существуют проекты, где тепло хранится при температуре свыше 80 C.
Гидрогеологические ограничения
Количество сохраненной энергии, которого можно добиться с помощью систем НТЭВГ, сильно зависит от геологии местности. В большинстве своем система НТЭВГ требует присутствие подходящего водоносного горизонта, способного принимать и отдавать воду. Следовательно, выбираются толстые (свыше 10 м) песчаные водоносные горизонты. Естественный ток подземных вод может (частично) переносить накопленную энергию к зоне захвата источника во время фазы накопления. Чтобы уменьшить адвективные потери тепла, предпочтительны водоносные горизонты с низким гидравлическим градиентом. К тому же, стоит избегать градиентов в геохимическом составе, так как смешивание воды и различной геохимии может увеличить объем комков, что в дальнейшем ухудшит качества источника и приведет к росту затрат на обслуживание.
Правовой статус
Правовой статус поверхностных (менее 400 м в глубину) геотермальных установок отличается от страны к стране. Закон об устройстве источников затрагивает вопрос использования опасных материалов и, собственно, засыпки скважины во избежание гидравлического проскока между водоносными горизонтами. Другие законы затрагивают вопросы защиты зон с грунтовыми водами для обеспечения питьевой водой. Некоторые страны проголосовали за ограничения минимальных и максимальных температур хранения. Например, Австрия (5-20 C), Дания (2-25 C) и Нидерланды (5-25 C). Другие же страны приняли ограничения о максимальном изменении температуры грунтовых вод, например, Швейцария (3 C) и Франция (11 C).
Взаимодействие с хлорорганическими соединениями
НТЭВГ на данный момент не разрешена к применению в зараженных водоносных горизонтах из-за возможного распространения загрязнителей в грунтовых водах, особенно – в городской черте. Это может привести к ухудшению качества грунтовых вод, которые также являются важным источником питьевой воды. Несмотря на законы, призванные предотвратить взаимодействие систем НТЭВГ и загрязнителей грунтовых вод, возможность их поступления возрастает, из-за быстрого роста числа систем НТЭВГ и медлительности процесса восстановления грунтовых вод в городской черте. Среди распространенных загрязнителей грунтовых вод хлорорганические соединения обладают наибольшим шансом попадания в систему НТЭВГ, так как их часто находят на схожей с ними глубине. Так как хлорорганические соединения находятся в плотных жидкостях не в водной фазе, их возможное растворение в системе НТЭВГ может спровоцировать гоаздо большее влияние на качество грунтовых вод.
Возможное применение на зараженной местности
Возможное взаимодействие между системами НТЭВГ и хлорорганическими соединениями также рассматривалось, как возможность интеграции технологий устойчивой энергетики и устойчивым управлением использования сточных вод. Сочетание НТЭВГ и усовершенствованных технологий биоисправления впервые было представлено в 2009 году в рамках нидерландского проекта «More with SubSurface Energy». Несколько научных и практических обоснований стали основой для рассмотрения таких сочетаний как в принципе возможных. Увеличенная температура вокруг теплого источника может ускорить снижающее дехлорирование хлорорганических соединений. Хотя низкая температура в холодном источнике может препятствовать биоразложению, сезонная работа системы НТЭВГ может переместить загрязнитель от холодного источника к горячему для ускорения биоразложения. Такое сезонное перемещение грунтовых вод также может обеспечивать однородность условия окружающей среды. Система НТЭВГ может также использоваться для биостимуляции, к примеру, с целью впрыскивания донора электронов или микроорганизмов, требуемых для снижающего дехлорирования. В конце концов, срок службы систем НТЭВГ (30 лет) подходит под длительное время биоисправления на месте.
Влияние на общество
Концепт, сочетающий НТЭВГ и ускоренное естественное затухание, возможно, может быть использован в Нидерландах и Китае, особенно – в урбанизированных районах. В обеих странах эти районы сталкиваются с органическими загрязнениями грунтовых вод. На данный момент комбинированный концепт может быть более применимым для Нидерландов с более тщательными технологиями и применением систем НТЭВГ. Частичное совпадение между НТЭВГ и загрязнением грунтовых вод также демонстрирует потребность в этой технологии. Однако Китай, где в сравнении с Нидерландами эта технология – гораздо менее развита, среди важных преимуществ – гораздо большее число демонстрационных пилотных проектов, которые можно запустить с приоритетом в сторону реального применения, и гибкие системы, которые могут быть разработаны из-за меньшего давления системы НТЭВГ на нижний горизонт по сравнению с Нидерландами. Для устойчивого развития городов комбинированная технология может обеспечить решение как энергетических, так и экологических проблем.
