地下水可能是绿色供暖和制冷的解决方案

全球总能源需求的大约 12% 来自家庭和企业的供暖和制冷。一项新的研究表明，在，使用地下水来保持舒适的温度可以使该行业的天然气和电力消耗减少 40% 这种称为含水层热能储存 (ATES) 的方法还可以帮助防止高功率引起的停电极端天气事件期间的需求。

“我们需要存储来吸收来自太阳能和风能的波动能量，大多数人对电池和其他类型的电力存储感兴趣。但我们想知道是否有机会使用地热储能，因为供暖和制冷是建筑物能源需求的主要部分，”第一作者、劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 前博士后研究员 ATD Perera 说。 ，现在在普林斯顿大学安德林格能源与环境中心。

“我们发现，有了 ATES，可以储存大量的能量，而且可以储存很长时间，”佩雷拉说。“因此，可以在不给电网增加额外负担的情况下满足极端炎热或寒冷时期的供暖和制冷能源需求，从而使城市能源基础设施更具弹性。”

这项研究于本周在Applied Energy上发表，是对 ATES 如何通过存储间歇性可再生能源以在太阳不发光且涡轮机不工作时使用来适应能源系统脱碳这一更大目标的首批研究之一旋转。在对能源系统进行全面的技术和经济模拟后，作者发现 ATES 是加热和冷却能量存储的一个引人注目的选择，与电池等其他技术一起，可以帮助结束我们对化石燃料衍生备用电源的依赖，启用完全可再生的电网。

让热力学发挥作用

ATES 是一个令人愉快的简单概念，它利用了水的吸热特性和地球的自然地质特征。您只需从现有的地下水库中抽取水，然后在夏季使用环境热量或太阳能的多余能量或一年中的任何时间使用风在地表加热。然后你把它抽回去。

“它实际上保持相当热，因为地球是一个很好的绝缘体，”伯克利实验室能源地球科学部副主任兼弹性能源、水和基础设施领域负责人彼得尼科解释说。“所以当你在冬天把它拉起来时，几个月后，水比周围的空气要热得多，你可以用它来加热你的建筑物。反之亦然，你可以把水拉起来让它冷却，然后你可以把它放回去储存起来，直到你在炎热的夏季需要冷却。这是一种以地下温度形式储存能量的方法。”

ATES 尚未在广泛使用，但它正在国际上获得认可，尤其是在荷兰。一个主要的好处是这些系统从季节性温度变化中获得“免费”热能，这可以通过增加人工加热和电力产生的冷却来加强。因此，它们在季节性波动较大的地区表现非常好，但也有可能在任何地方工作，只要有风能或太阳能可以连接。关于其他影响，ATES 系统旨在避免影响关键的饮用水资源——通常使用的水来自比饮用水供应更深的含水层——并且不会将任何化学物质引入水中。

它的表现如何?

为了获得一些具体数字来估计 ATES 可以在电网上节省多少能源，以及部署成本是多少，该团队使用芝加哥社区的计算模型设计了一个案例研究。这个虚拟社区由 58 栋两层楼的单户住宅建筑组成，具有典型的住宅供暖和制冷，连接到具有多种可能的能源和存储选项(包括 ATES)的模拟能源网。未来气候预测用于了解当前供暖和制冷需求占用了社区总能源预算的多少，以及未来可能发生的变化。最后，为社区设计了微电网模拟，其中包括可再生能源技术和 ATES，以评估技术经济可行性和气候适应能力。如果没有该团队在能源地球科学、气候科学和建筑科学领域的多元化专业知识，将所有这些因素整合到一个模型中是不可能的。

结果表明，将 ATES 添加到电网中可以减少高达 40% 的石油产品消耗，但其成本将比现有储能技术高出 15% 至 20%。

“但是，另一方面，储能技术正在大幅降低成本，经过短短几年的 ATES 开发，我们很容易实现收支平衡。这就是为什么我们开始投资这项研究并开始构建真实世界的原型系统非常重要，”佩雷拉说。

“与地上储罐储水或储冰系统相比，ATES 不需要空间。与依赖与地下土壤传热的传统地源热泵系统相比，ATES 也更高效，可以扩大规模用于大型社区制冷或供暖，”城市系统司。

ATES 的另一个主要好处是，随着气候变化导致未来几年天气变得更加极端，它将变得更加高效。世界领先的气候模型预测的更热的夏季和更严酷的冬季将有许多不利因素，但一个好处是它们可以增加 ATES 可以储存的自由热能。“这是在做柠檬水，对吧?如果你要经历这些极端高温事件，你不妨储存一些热量，以备极端寒冷事件发生时使用，”Nico 说。

ATES 还将使未来的电网更能适应热浪期间因高功率需求造成的停电——这种情况如今在许多人口稠密的地区经常发生，包括芝加哥——因为 ATES 驱动的制冷比空调使用的电力少得多，它只需要足够的能量来抽水。

“这是一件非常现实的事情，这项工作实际上是为了展示它的价值以及如何抵消成本，”Nico 说。“可以说，这项技术已经准备就绪。我们只需要这样做。”

这项研究由能源部地热技术办公室资助。