Массивные «батарейки», скрывающиеся под нашими ногами

Принцип работы водоносной системы хранения тепловой энергии. Мартин Блумендал и Тео Олстхорн

Эта история была первоначально опубликована Wired и воспроизведена здесь в рамках сотрудничества Climate Desk.

Когда падает дождевая вода, он впитывается в водоносный горизонт, слой пористой породы или сыпучих материалов, таких как песок или гравий. На протяжении тысячелетий люди копались в этих полосах жидкости, чтобы добыть питьевую воду. Но растет интерес к другому разумному использованию этих подземных бассейнов: хранению тепловой энергии в водоносных горизонтах или ATES.

Батарея сохраняет энергию, которую можно использовать позже. Водоносные горизонты можно использовать для чего-то подобного: они могут использовать изоляционные свойства Земли для сохранения тепловой энергии и передачи ее в надземные здания и обратно. Температура воды в водоносном горизонте имеет тенденцию оставаться довольно стабильной. Это дает возможность обогревать и охлаждать близлежащие постройки с помощью энергии, запасенной в воде, вместо сжигания природного газа в печах или использования электроэнергии, получаемой из ископаемого топлива, для работы кондиционеров.

Системы ATES состоят из двух отдельных скважин – одной теплой, другой холодной – которые проходят между поверхностью и водоносным горизонтом ниже. Зимой вы выкачиваете грунтовые воды из теплого колодца с температурой около 60 градусов по Фаренгейту и пропускаете их через теплообменник. В сочетании с тепловым насосом этот процесс извлекает тепло из грунтовых вод, чтобы поддерживать тепло внутри сооружений.

Затем вы закачиваете уже остывшую грунтовую воду во второй колодец. Это дает вам бассейн с холодной водой (около 45 градусов по Фаренгейту), который можно откачивать летом для охлаждения зданий. «Вы нагреваете грунтовые воды, отводя тепло от здания и напрямую закачивая его в другой колодец», — говорит гидрогеолог Мартин Блумендал, изучающий ATES в Делфтском технологическом университете в Нидерландах. «Затем зимой вы извлекаете воду из своего теплого колодца». Этот процесс бесконечно чередуется в зависимости от сезона, поскольку грунтовые воды используются повторно, а не потребляются. Система может даже использовать преимущества солоноватых или загрязненных водоносных горизонтов, из которых нельзя использовать питьевую воду.

Поскольку водяные насосы и другое оборудование работают на возобновляемых источниках энергии, таких как солнечная или ветровая энергия, это сверхэффективное хранилище энергии снизит спрос на ископаемое топливо и предотвратит попадание большого количества углерода в атмосферу. На отопление и охлаждение приходится треть энергопотребления в США и половина энергопотребления в Европе. Фактически, новая статья в журнале Applied Energy показала, что ATES может сократить использование природного газа и электричества для отопления и охлаждения домов и предприятий в США на 40 процентов.

Это способ хранить огромное количество энергии в течение длительного периода времени — своего рода подземная батарея, всегда готовая к использованию. «В местном городе вы можете хранить тепло и холод, и теперь вам не придется платить за это позже», — говорит Эрик Бернс, руководитель проекта по исследованию геотермальных ресурсов Геологической службы США. (Геологическая служба США является частью нового международного консорциума, который исследует геотермальную энергию в масштабе города.) «Самое интересное в этом то, что ей не нужны критически важные минералы, как это делают батареи».

Этот метод идеально подходит для больших зданий, таких как больницы, или группы зданий, например, в кампусе колледжа, поскольку они могут использовать отдельное помещение для колодца и другого оборудования. Это будет особенно эффективно в периоды высокого спроса на сеть. В США спрос резко возрастает в конце лета после полудня, когда люди включают свои энергоемкие кондиционеры. ATES потребляет гораздо меньше энергии, что облегчит нагрузку на сеть и поможет избежать сбоев. Если бы эти системы могли не только работать на солнечной или ветровой энергии, но и поддерживаться распределенной сетью литий-ионных батарей, они могли бы быть полностью устойчивы к перебоям в подаче электроэнергии.

«Эти системы идеально подходят для интеграции возобновляемых источников энергии», — говорит исследователь энергетических систем ATD Perera, ведущий автор новой статьи. (Перера сейчас учится в Принстонском университете, но проводил исследования в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.)