Ocena możliwości skojarzenia magazynowania energii cieplnej w warstwie wodonośnej z remediacją wód podziemnych

Malina, G.; Bujak, I.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Ocena możliwości skojarzenia magazynowania energii cieplnej w warstwie wodonośnej z remediacją wód podziemnych

Autorzy

Malina G. , Bujak I.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Evaluation of a potential to combine aquifer thermal energy storage with groundwater remediation

Języki publikacji

Abstrakty

Magazynowanie energii cieplnej w warstwie wodonośnej (ATES) można uznać za rozwiązanie korzystne ze względu na brak jego negatywnego wpływu na środowisko oraz innowacyjność i możliwość dalszego rozwoju. Na podstawie danych literaturowych oraz doświadczeń eksploatacyjnych przeanalizowano stan wiedzy na temat magazynowania energii cieplnej w warstwie wodonośnej (ATES) i możliwości jego skojarzenia z remediacją wód podziemnych. Zanieczyszczeniami występującymi w wodach podziemnych na głębokościach, na których zwykle pracują systemy ATES są najczęściej chlorowane węglowodory i BTEX. Spośród technik remediacji wód podziemnych możliwych do skojarzenia z systemami ATES omówiono metodę „pompuj i oczyszczaj”, naturalne samooczyszczanie (NA) oraz wspomagane (ENA) przez biostymulację i bioaugumentację, a także chemiczne utlenianie in situ (ISCO) oraz wspomaganą dehalogenację redukcyjną (ERD) w warunkach anaerobowych. Problemy ograniczające rozwój rozwiązań tego typu związane są głównie z ryzykiem przyspieszenia migracji zanieczyszczeń i spowolnienia ich biodegradacji w wyniku zmian potencjału utleniająco-redukcyjnego wywołanych działaniem instalacji ATES oraz kolmatacją filtrów studziennych. Ze względu na ograniczoną wiedzę na temat zjawisk zachodzących w warstwie wodonośnej podczas magazynowania energii cieplnej i zbyt mało doświadczeń eksploatacyjnych, konieczne są dalsze badania potwierdzające skuteczność łącznego zastosowania systemów ATES i remediacji wód podziemnych w praktyce.

Aquifer thermal energy storage (ATES) may be considered beneficial due to lack of negative environmental impact, innovation and potential for further development. The state of knowledge on ATES and its potential to be combined with groundwater remediation was analyzed on the basis of literature data and operating experience. Chlorinated hydrocarbons and BTEX are the contaminants most frequently occurring at depths, where ATES systems usually operate. The following remediation techniques that potentially could be combined with ATES systems were discussed: ‛pump and treat’, natural (NA) and enhanced natural attenuation (ENA) via biostimulation and bioaugmentation, as well as in situ chemical oxidation (ISCO) and enhanced reductive dechlorination (ERD) under anaerobic conditions. Development of such solutions is constrained by problems related mainly to the risk of accelerated contaminant migration and reduction of their biodegradation rates as a result of changes in redox potential due to ATES system operation and well screen clogging. Further research is required to confirm effectiveness of the combined application of ATES and groundwater remediation in practice as the knowledge of the aquifer processes upon thermal energy storage is incomplete and the operating experience limited.

Słowa kluczowe

magazynowanie energii cieplnej w warstwie wodonośnej remediacja warstwa wodonośna woda podziemna zanieczyszczenia biodegradacja biostymulacja bioaugmentacja

aquifer thermal energy storage (ATES) remediation aquifer groundwater contamination biodegradation biostimulation bioaugmentation

Wydawca

Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski

Czasopismo

Ochrona Środowiska

Rocznik

2017

Tom

Vol. 39, nr 3

Strony

9--18

Opis fizyczny

Bibliogr. 75, rys.

Twórcy

autor

Malina G.

gmalina@agh.edu.pl

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Katedra Hydrogeologii i Geologii Inżynierskiej, al. Adama Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Bujak I.

izabela.bujak@ufz.de

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH–UFZ, Theodor-Lieser-Str. 4, 06120 Halle (Saale), Germany

Bibliografia

1. UN WWAP (United Nations World Water Assessment Programme): The United Nations World Water Development Report 2015: Water for a Sustainable World. UNESCO, Paris 2015.
2. T. GLEESON, Y. WADA, M. F. P. BIERKENS, L. P. H. van BEEK: Water balance of global aquifers revealed by groundwater footprint. Nature 2012, Vol. 488, pp. 197–200.
3. UN WWAP (United Nations World Water Assessment Programme): The World Water Development Report 3: Water in a Changing World. UNESCO, Paris 2009.
4. F. KHAN, T. HUSAIN, R. HEJAZI: An overview and analysis of site remediation technologies. Journal of Environmental Management 2004, Vol. 71, No. 2, pp. 95–122.
5. G. MALINA: Likwidacja zagrożenia środowiska gruntowo-wodnego na terenach zanieczyszczonych. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Seria Monografie nr 132, Częstochowa 2007.
6. IEA (International Energy Agency): World Energy Outlook 2014. Summary (http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/WorldEnergyOutlook2014ExecutiveSummaryPolishversion.pdf).
7. IEA (International Energy Agency): World Energy Trends. Excerpt from: Energy Balances of non-OECD Countries (http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/WorldTrends_NonOECD_countries2015.pdf).
8. A. GONET, J. HENDEL, T. ŚLIWA: Magazynowanie w górotworze ciepła pochodzącego z różnych źródeł. AGH Drilling, Oil, Gas 2012, vol. 29, nr 1, ss. 135–144.
9. K. S. LEE: Underground Thermal Energy Storage. Green Energy and Technology. Springer Science & Business Media, 2013.
10. I. DINCER, M. A. ROSEN: Thermal Energy Storage: Systems and Applications. 2nd Edition. Wiley, 2013. Ocena możliwości skojarzenia magazynowania energii cieplnej w warstwie wodonośnej z remediacją wód podziemnych 17
11. K. S. LEE: A review on concepts, applications, and models of aquifer thermal energy storage systems. Energies 2010, Vol. 3, No. 6, pp. 1320–133.
12. M. BONTE, B. BREUKELEN, P. van STUYFZAND: Environmental impacts of aquifer thermal energy storage investigated by field and laboratory experiments. Journal of Water and Climate Change 2013, Vol. 4, No. 2, pp. 77–89.
13. M. BONTE: Impacts of shallow geothermal energy on groundwater quality. IWA Publishing, KWR Watercycle Research Institute Series, 2015.
14. M. HENDRIKS, A. SNIJDERS, N. BOID: Underground thermal energy storage for efficient heating and cooling of buildings. In: I3CON Conference, Loughborough (UK) 2008.
15. O. ANDERSSON, G. HELLSTRÖM, B. NORDEL: Heating and cooling with UTES (Underground Thermal Energy Storage) – applications and market development in Sweden. Journal of Energy and Power Engineering 2013, Vol. 7, pp. 669–678.
16. J. DESMEDT, H. HOES, J. van BAEL: Shallow geothermal applications in Belgium. Proc. of European Geothermal Congress, Unterhaching (Germany) 2007.
17. P. SEIBT, F. KABUS: Aquifer Thermal Energy Storage in Germany. Geothermie Neubrandenburg GmbH. (http://www.os.is/gogn/fl ytja/JHS-kjol/UNU%20Visiting%20Lecturers/PSLecture03.pdf).
18. H. HOES, J. PATYN, R. LOOKMAN: The combination of aquifer thermal energy storage (ATES) and groundwater remediation. D. Wille, OVAM, Mechelen 2012.
19. T. MAAS [Ed.]: CityChlor Think-Tank. Conceptual site model. Bio-washing machine. CityChlor document, version 3.0, 2013.
20. G. H. PELGRUM: SANERGY. A concept for a sustainable remediation (http://files.shareholder.com/downloads/ARCAD/0x0x376998/c8df51d2-ea78-43b6-8774-281d13a8fa9c/Presentation).
21. H. SLENDERS, P. DOLS, R. VERBURG, A. de VRIES: Sustainable remediation panel: Sustainable synergies for the subsurface: Combining groundwater energy with remediation. Remediation Journal 2010, Vol. 20, No. 2, pp. 143–153.
22. H. SLENDERS, R. VERBURG, J. SCHREURS, I. DINKLA, N. HOEKSTRA, S. LIETEN: Sanergy, a sustainable mix of groundwater energy and remediation? Experiences after two years with a biowashing machine. Proceedings of AquaCon-Soil, Barcelona 2013.
23. H. SLENDERS, R. VERBURG, A. PORS, A. van MAAREN: Managing contaminated groundwater – novel strategies and solutions applied in the Netherlands. In: J. T. ALBERGARIA, H. P. A. MOUWS [Eds.]: Soil Remediation – Applications and New Technologies. CRC Press, 2016, pp. 121–138.
24. N. van OOSTROM [Ed.]: Literatuurstudie Meer Met Bodemenergie, Overzicht van kennis en onderzoeksvragen rondom warmte – en koudeopslag. Bioclear, IF Technology, Deltares en Wageningen University, Wageningen (Netherlands) 2011.
25. R. DOMAŃSKI: Magazynowanie energii cieplnej. PWN, Warszawa 1990.
26. J. DOWGIAŁŁO, A. S. KLECZKOWSKI, T. MACIOSZCZYK, A. RÓŻKOWSKI [red.]: Słownik hydrogeologiczny. Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa 2002.
27. J. SZLACHTA [red]: Niekonwencjonalne źródła energii. Akademia Rolnicza, Wrocław 1999.
28. G. MALINA: Badania i możliwości wykorzystania rozkładu pola temperaturowego strumienia wód podziemnych na ujęciu infiltracyjnym Reda III. Praca doktorska, AGH w Krakowie, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Kraków 1991 (praca niepublikowana).
29. J. S. DICKINSON, N. BUIK, M. C. MATTHEWS, A. SNIJDERS: Aquifer thermal energy storage: Theoretical and operational analysis. Geothechnique 2009, Vol. 59, No. 3, pp. 249–260.
30. W. M. LEWANDOWSKI: Proekologiczne źródła energii odnawialnej. Warszawa 2001.
31. J. KAPUŚCIŃSKI, A. RODZOCH: Geotermia niskotemperaturowa w Polsce – stan aktualny i perspektywy rozwoju. Ministerstwo Środowiska, Warszawa 2006 (praca niepublikowana).
32. R. J. CALJÉ: Future use of Aquifer Thermal Energy Storage below the historic centre of Amsterdam. TU Delft, Department of Water Management, Delft 2010.
33. Groen licht voor Bodemenergie – Advies Taskforce WKO. Rapport, Nederland 2009.
34. H. PAKSOY, A. SNIJDERS, L. STILES: State-of-the-art review of aquifer thermal energy storage systems for heating and cooling buildings. Proceedings of 11th International Conference on Energy Storage – EffStock 2009, Stockholm (Sweden) 2009.
35. H. J. BRONS, A. J. B. ZEHNDER: Biogeochemical aspects of aquifer thermal energy storage. Hydrochemistry and Energy Storage in Aquifers 1990, Vol. 43, pp. 27–43.
36. W. SOMMER: Modelling and monitoring of aquifer thermal energy storage. Impacts of soil heterogeneity, thermal interference and bioremediation. PhD thesis, Wageningen University, Wageningen (Netherlands) 2015.
37. I. WIGSTRAND: The ATES project – a sustainable solution for Stockholm-Arlanda airport (http://www.undergroundenergy.com/The_ATES_project___a_sustainable_solution_for_Stockholm-Arlanda_airport.pdf).
38. B. SANNER: Shallow geothermal energy. Geo-Heat Center Bulletin 2001, Vol. 22, pp. 19–25.
39. B. SANNER, F. KABUS, P. SEIBT, J. BARTELS: Underground thermal energy storage for the German Parliament in Berlin, system concept and operational experiences. Proceedings of World Geothermal Congress, Antalya (Turkey) 2005, pp. 1–3.
40. W. SOMMER, P. J. DOORNENBAL, B. C. DRIJVER, P. F. M. van GAANS, I. LEUSBROCK, J. T. C. GROTENHUIS, H. H. M. RIJNAARTS: Thermal performance and heat transport in aquifer thermal energy storage. Hydrogeology Journal 2014, Vol. 22, No. 1, pp. 263–279.
41. M. BAKR, N. van OOSTROM, W. SOMMER: Efficiency of and interference among multiple Aquifer Thermal Energy Storage systems: A Dutch case study. Renewable Energy 2013, Vol. 60, pp. 53–62.
42. F. KABUS, M. WOLFGRAMM, A. SEIBT, U. RICHLAK, H. BEUSTER: Aquifer thermal energy storage in Neubrandenburg – monitoring throughout three years of regular operation. Proceedings of 11th International Conference on Energy Storage – EffStock 2009, Stockholm (Sweden) 2009.
43. S. HÄHNLEIN, P. BAYER, P. BLUM: International legal status of the use of shallow geothermal energy. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2010, Vol. 14, No. 9, pp. 2611–2625.
44. Dyrektywa 2000/60/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z 23 października 2000 r. ustanawiająca ramy dla wspólnotowego działania w dziedzinie polityki wodnej. Dziennik Urzędowy Wspólnot Europejskich 2000, L 327/1.
45. A. MACIOSZCZYK, D. DOBRZYŃSKI: Hydrogeochemia strefy aktywnej wymiany wód. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2007.
46. N. HARTOG, B. DRIJVER, I. DINKLA, M. BONTE: Field assessment of the impact of Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) systems on chemical and microbial groundwater composition. Proceedings of European Geothermal Conference, Pisa (Italy) 2013, p. 8.
47. M. BONTE, W. F. M. RÖLING, E. ZAURA, P. W. J. J. van der WIELEN, P. J. STUYFZAND, B. M. van BREUKELEN: Impacts of shallow geothermal energy production on redox processes and microbial communities. Environmental Science and Technology, 2013, Vol. 47, No. 24, pp. 14476–14484.
48. M. POSSEMIERS: Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) under different hydrochemical and hydrogeological conditions. PhD thesis. University of Leuven, Leuven (Belgium) 2014.
49. H. J. BRONS, J. GRIFFIOEN, C. A. J. APPELO, A. J. B. ZEHNDER: (Bio)geochemical reactions in aquifer material from a thermal energy storage site. Water Resources 1991, Vol. 25, pp. 729–736.
50. M. POSSEMIERS, M. HUYSMANS, O BATELAAN: Influence of Aquifer Thermal Energy Storage on groundwater quality: A review illustrated by seven case studies from Belgium. Journal of Hydrology: Regional Studies 2014, Vol. 2, pp. 20–34.
51. L. SOWERS, K. P. YORK, L. STILES: Impact of thermal buildup on groundwater chemistry and aquifer microbes. ECOSTOCK 2006 Conference Proceedings, Pomona (USA) 2006, pp. 1–7.
52. K. G. ZUURBIER, N. HARTOG, J. VALSTAR, V. E. A. POST, B. M. van BREUKELEN: The impact of low-temperature seasonal aquifer thermal energy storage (SATES) systems on chlorinated solvent contaminated groundwater: Modeling of spreading and degradation. Journal of Contaminant Hydrology 2013, Vol. 147, pp. 1–13.
53. E. de VRIES, N. HOEKSTRA: Meer met Bodemenergie. Rapport 10 – Mogelijkheden voor combinatie van WKO met bodemsanering, Gouda (Netherlands) 2012.
54. Z. NI: Bioremediation of chlorinated ethenes in aquifer thermal energy storage. PhD thesis, Wageningen University, Wageningen (Netherlands) 2015.
55. S. SUTHERSAN: In Situ Air Sparging. Remediation Engineering: Design Concepts. CRC Press LLC, 1999.
56. Natural Attenuation for Groundwater Remediation. National Academy Press, Washington DC 2000.
57. OSWER Directive 9200.4-17P – Use of monitored natural attenuation at Superfund, RCRA corrective action, and underground storage tank sites. U.S. EPA, Office of Solid Waste and Emergency Response, 1999.
58. How to Evaluate Alternative Cleanup Technologies for Underground Storage Tank Sites: A Guide for Corrective Action Plan Reviewers. Chapter IX: Monitored Natural Attenuation. EPA 510-B-16-005, 2016.
59. R. STEGEMANN, G. BRUNNER, W. CALMANO, G. MATZ: Treatment of Contaminated Soil. Springer-Verlag, Berlin 2001.
60. Z. NI, P. van GAANS, M. SMIT, H. RIJNAARTS, T. GROTENHUIS: Biodegradation of cis-1,2-dichloroethene in stimulated underground thermal energy storage systems. Environmental Science and Technology 2015, Vol. 49, No. 22, pp. 13519–13527.
61. A. LEWKIEWICZ-MAŁYSA, R. ROGOWSKA-KWAS, B. WINID: Redukcja zawartości węglowodorów zanieczyszczających środowisko naturalne. Wiertnictwo, Nafta, Gaz 2008, vol. 25, z. 2, ss. 453–460.
62. J. P. de WEERT, T. J. KEIJZER, P. F. van GAANS: Lowering temperature to increase chemical oxidation efficiency: The effect of temperature on permanganate oxidation rates of five types of well-defined organic matter, two natural soils, and three pure phase products. Chemosphere 2014, Vol. 117, pp. 94–103.
63. M. KASHIR, R. MCGREGOR: Chemical oxidation performance in high temperature, saline groundwater impacted with hydrocarbons. Remediation Journal 2015, Vol. 25, No. 2, pp. 55–70.
64. H. EDEL, M. SZEWCZYK, C. DITTMAR: Chemiczne utlenianie in situ: praktyczne zastosowanie do oczyszczania wód podziemnych zanieczyszczonych węglowodorami chlorowanymi. W: G. MALINA [red.]: Rekultywacja i rewitalizacja terenów zdegradowanych. PZITS Oddział Wielkopolski, Poznań 2009, ss. 111–115.
65. R. O. HALLBERG, R. MARTINELL: Vyredox – in situ purification of ground water. Ground Water 1976, Vol. 14, No. 2, pp. 88–93.
66. Groundwater Corrective Action Plan – Moretown Landfill, Moretown, VT. Environmental Planning Specialists, Report MTLCAP1001, Atlanta (USA) 2014.
67. K. MIKSCH: Zastosowanie biotechnologii w oczyszczaniu wody, ścieków, gruntów i gazów oraz utylizacji odpadów. W: M. DUDZIŃSKA, L. PAWŁOWSKI [red.]: Polska Inżynieria Środowiska pięć lat po wstąpieniu do Unii Europejskiej. Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN 2009, nr 60, ss. 71–73.
68. I. ZAWIERUCHA, G. MALINA: Bioremediation of contaminated soils: Effects of bioaugmentation and biostimulation on enhancing biodegradation of oil hydrocarbons. In: A. SINGH, A. PARMAR, N. KUHAD, R. RAMESH [Eds.]: Bioaugmentation, Biostimulation and Biocontrol. Soil Biology
69. I. ZAWIERUCHA, G. MALINA, W. CIESIELSKI, P. RYCHTER: Effectiveness of intrinsic biodegradation enhancement in oil hydrocarbons contaminated soil. Archives of Environmental Protection 2014, Vol. 40, No. 1, pp. 101–113.
70. M. GERARDI: Wastewater Bioaugmentation and Biostimulation. DEStech Publications, Inc., Lancaster (USA) 2015.
71. Z. NI, M. SMIT, T. GROTENHUIS, P. van GAANS, H. RIJNAARTS: Effectiveness of stimulating PCE reductive dechlorination: A step-wise approach. Journal of Contaminant Hydrology 2014, Vol. 164, pp. 209–218.
72. Z. NI, P. van GAANS, M. SMIT, H. RIJNAARTS, T. GROTENHUIS: Combination of aquifer thermal energy storage and enhanced bioremediation: Resilience of reductive dechlorination to redox changes. Applied Microbiology and Biotechnology 2016, Vol. 100, No. 8, pp. 3767–3780.
73. N. DURANT, L. SMITH, W. CONDIT: Design considerations for enhanced reductive dechlorination. Technical memorandum TM-NAVFAC-EXWC-EV-1501, Battelle, Columbus (USA) 2015.
74. C. SCHEUTZ, M. M. BROHOLM, N. D. DURANT, E. B. WEETH, T. H. JØRGENSEN, F. DENNIS, C. S. JACOBSEN, E. E. COX, J. C. CHAMBON, P. L. BJERG: Field evaluation of biological enhanced reductive dechlorination of chloroethenes in clayey till. Environmental Science & Technology 2010, Vol. 44, No. 13, pp. 5134–5141.
75. J. A. CHRIST, A. RAMSBURG, L. M. ABRIOLA, K. D. PENNELL, F. E. LÖFFLER: Coupling aggressive mass removal with microbial reductive dechlorination for remediation of DNAPL source zones: A review and assessment. Environmental Health Perspectives 2005, Vol. 113, No. 4, pp. 465–477.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-e0ee8dbc-660f-4156-84ac-b4ba217c344e