Η κρυφή πλευρά των πόλεων:Χρήση αποθήκευσης θερμικής ενέργειας υδροφόρου ορίζοντα για εξοικονόμηση ενέργειας

Τα συστήματα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας υδροφόρου ορίζοντα (ATES) συμβάλλουν στη μείωση της κατανάλωσης ορυκτής ενέργειας με την εποχιακή αποθήκευση θερμότητας σε υπόγειους υδροφόρους ορίζοντες. Σε συνδυασμό με μια αντλία θερμότητας, αυτά τα συστήματα μπορούν να παρέχουν πιο βιώσιμη θέρμανση και ψύξη στα κτίρια και μπορούν να μειώσουν τη χρήση ενέργειας σε μεγαλύτερα κτίρια κατά περισσότερο από το ήμισυ. Η ATES είναι επομένως σημαντική για την ενεργειακή μετάβαση σε πολλές αστικές περιοχές στη Βόρεια Αμερική, την Ευρώπη και την Ασία.

Στην Ολλανδία, όπου οι ρηχοί υδροφόροι ορίζοντες καθιστούν την τεχνολογία ιδιαίτερα οικονομική, το ATES χρησιμοποιείται επί του παρόντος σε περίπου 10% των νέων κτιρίων. Ενώ αυτό το μερίδιο αγοράς είναι ακόμη μέτριο, η ζήτηση για υπόγειο χώρο για την ATES έχει ήδη αυξηθεί σε επίπεδα συμφόρησης σε πολλές ολλανδικές αστικές περιοχές.

Αυτό το πρόβλημα προκαλείται σε μεγάλο βαθμό από την τρέχουσα προσέγγιση για τον προγραμματισμό και την αδειοδότηση ATES, η οποία χρησιμοποιεί πολύ μεγάλα περιθώρια ασφαλείας μεταξύ των φρεατίων που χρησιμοποιούνται για την έγχυση και την εξαγωγή νερού και μια προοπτική 2D – και όχι 3D – για τον σχεδιασμό. Αυτές οι πολιτικές σημαίνουν ότι ο διαθέσιμος υπόγειος χώρος δεν χρησιμοποιείται βέλτιστα, έτσι ώστε οι πόλεις να μην μπορούν να αξιοποιήσουν πλήρως τις δυνατότητες της τεχνολογίας ATES για τη μείωση των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου (GHG).

Η βέλτιστη χρήση του υπόγειου χώρου σε πυκνά αστικά περιβάλλοντα μπορεί να επιτευχθεί με μια συντονισμένη προσέγγιση όσον αφορά τον σχεδιασμό και τη λειτουργία των συστημάτων ATES, τον λεγόμενο σχεδιασμό ATES. Αυτή η έρευνα εντοπίζει και επεξεργάζεται κρίσιμα πρακτικά βήματα προς τη βέλτιστη χρήση του υπόγειου χώρου, τα οποία επί του παρόντος λείπουν από τις πολιτικές σχεδιασμού της ATES. Ξεκινώντας από μια ανάλυση των τρεχόντων σχεδίων ATES, χρησιμοποιήθηκαν προσομοιώσεις που βασίζονται σε συζευγμένους παράγοντες/υπόγεια ύδατα για να καταδειχθεί ότι η αυξημένη ζήτηση για ATES απαιτεί σταδιακά αυστηρότερους κανονισμούς για την ελαχιστοποίηση των εκπομπών GHG. Αυτή η έρευνα είχε ως αποτέλεσμα 4 σημαντικές συνεισφορές:

1. Αποτελεσματικές οδηγίες που βοηθούν στην αποφυγή της ανάγκης σχεδιασμού ATES:Τα φρεάτια έγχυσης/εξαγωγής πρέπει να χρησιμοποιούν όλο το πάχος του υδροφόρου ορίζοντα και να τοποθετούνται πιο πυκνά. 2,5 φορές τη μέση θερμική ακτίνα των γεωτρήσεων αντίθετου τύπου (θερμό έναντι ψυχρού) και 1 φορές τη μέση θερμική ακτίνα για φρεάτια του ίδιου τύπου,  αντί για 3 για όλα τα φρεάτια όπως σύμφωνα με τις τρέχουσες πολιτικές)
2. Όρια για να πούμε πότε χρειάζεται σχεδιασμός ATES με βάση την κατανομή του χώρου του υδροφόρου ορίζοντα υπό αυξημένη ζήτηση για θερμική αποθήκευση. Προσδιορίστηκε μια σταδιακή προσέγγιση για τον προγραμματισμό με την προσομοίωση ενός εύρους κλασμάτων του χώρου του υδροφόρου ορίζοντα από 2% έως 75%. Τα σενάρια αυτοτοποθέτησης (στα οποία τα φρεάτια ATES μπορούν να τοποθετηθούν οπουδήποτε, εντός των κατευθυντήριων γραμμών για τις αποστάσεις μεταξύ φρεατίων) δεν απαιτούν πρόσθετο σχεδιασμό ATES κάτω από το 25% του εκχωρημένου κλάσματος χώρου υδροφορέα, εντός της τρέχουσας πρακτικής και κανονιστικού πλαισίου. Σε κατανεμημένα κλάσματα υδροφορέων για ATES που κυμαίνονται από 25% έως 50%, οι κανόνες για το σχεδιασμό των φρεατίων και την απόσταση των φρεατίων ενθαρρύνουν την αυτοτοποθέτηση. Πέρα από το 50% του εκχωρημένου κλάσματος του χώρου του υδροφόρου ορίζοντα, οι υψηλότερες μειώσεις εκπομπών GHG επιτυγχάνονται με μια προδιαγεγραμμένη χωρική διάταξη των θερμών και των ψυχρών φρεατίων σε χωριστές λωρίδες.
3. Αποτελεσματικές μέθοδοι τοποθέτησης και λειτουργίας για τοποθέτηση λωρίδων στις πιο πολυσύχναστες περιοχές. Τόσο το πλάτος όσο και η απόσταση των λωρίδων πρέπει να είναι διπλάσια από τη μέση θερμική ακτίνα των συστημάτων ATES στην περιοχή. Οι ρυθμίσεις για συλλογικά συστήματα (δηλαδή η συλλογική λειτουργία μιας ομάδας μικρότερων μεμονωμένων συστημάτων ATES) και μια ενεργειακή ισορροπία μεταξύ θέρμανσης και ψύξης σε ολόκληρη την περιοχή, αυξάνουν ακόμη περισσότερο την αποτελεσματική χρήση του χώρου του υδροφόρου ορίζοντα για το ATES.
4. Ένα πλαίσιο αξιολόγησης για την αξιολόγηση πιθανών στρατηγικών σχεδιασμού. Προσδιορίστηκαν οι ακόλουθες παράμετροι αξιολόγησης:συνολική μείωση των εκπομπών GHG, κόστος εγκατάστασης, απόδοση ανάκτησης και ευρωστία για διαφορετικές μελλοντικές συνθήκες.

Συμπεραίνουμε ότι οι βελτιώσεις στις πρακτικές διακυβέρνησης, σχεδιασμού και σχεδιασμού που παρουσιάζονται σε αυτή τη μελέτη μπορούν εύκολα να χρησιμοποιηθούν και να εφαρμοστούν στην πράξη στην Ολλανδία, επειδή εντάσσονται στο ολλανδικό κανονιστικό πλαίσιο. Αν και η υιοθέτηση του ATES σε άλλες χώρες δεν είναι ακόμη τόσο υψηλή όσο στην Ολλανδία, το συγκεκριμένο πρόβλημα που συζητείται σε αυτή τη μελέτη είναι επίσης πιθανό να εμφανιστεί και σε άλλες πόλεις σε όλο τον κόσμο. Οι χώρες που βρίσκονται στο πρώιμο στάδιο της υιοθέτησης του ATES μπορούν να επωφεληθούν από αυτήν την έρευνα και την εμπειρία στην Ολλανδία, σχεδιάζοντας και εφαρμόζοντας το ATES σύμφωνα με τις μεθόδους που παρουσιάζονται σε αυτή τη μελέτη - επομένως, διασφαλίζοντας ότι η τεχνολογία ATES μπορεί να επιτύχει πλήρως τις δυνατότητές της για εξοικονόμηση ενέργειας στις πόλεις .

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Methods for Planning of ATES systems, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Applied Energy . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Martin Bloemendal, Marc Jaxa-Rozen και Theo Olsthoorn από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ.