نویسنده: مولی رپ
اخبار – ALBUQUERQUE، NM – انرژی زمین گرمایی به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر که به آفتاب یا باد وابسته نیست، نوید زیادی دارد، اما برخی چالش‌ها برای پذیرش گسترده وجود دارد. یکی از این چالش‌ها این است که تعداد محدودی مکان در ایالات متحده وجود دارد که طبیعتاً شرایط مناسبی دارند: سنگ داغ نسبتاً نزدیک به سطح و با آب‌های زیرزمینی فراوان برای گرما.
انرژی زمین گرمایی حلقه بسته یکی از راه‌های استفاده از سنگ‌های داغ و خشک برای گرم کردن سیالات در گردش برای تولید الکتریسیته یا گرم کردن مستقیم ساختمان‌ها است، روشی که پس از نادیده گرفتن آن در دهه 1980 دوباره مورد بررسی قرار گرفت. تیمی متشکل از کارشناسان در چندین آزمایشگاه ملی اخیراً یک تلاش دو ساله مدل‌سازی محاسباتی برای سیستم‌های زمین گرمایی حلقه بسته را تکمیل کردند.
ماریو مارتینز، مهندس مکانیک و محقق اصلی این پروژه در آزمایشگاه ملی ساندیا، گفت: یکی از چالش های کلیدی در انرژی زمین گرمایی حلقه بسته، ساختن سیستمی است که بتواند گرمای کافی را از اعماق زمین استخراج کند تا مقرون به صرفه باشد.
مارتینز که اخیراً بازنشسته شده است، می گوید: «سطح زیرین، سنگ، هر چه عمیق تر می شوید گرمتر می شود، بنابراین رفتن به اعماق سودمند است. این آب گرم می تواند برای گرمایش مرکزی استفاده شود، بنابراین می توانید از آن برای گرم کردن خانه ها و ساختمان ها استفاده کنید یا می توانید از آن برای تولید برق استفاده کنید.
سندیا مدل‌سازی محاسباتی سیستم زیرزمینی را رهبری کرد، در حالی که آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر از نتایج عددی برای ارزیابی قابلیت اقتصادی سیستم از طریق نیروگاه و مدل اقتصادی خود استفاده کرد. پروژه کلی توسط آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام و مهندس مکانیک مارک وایت رهبری شد. آناستازیا برنات، دانشمند داده PNNL، مدل های Sandia و NREL را در یک ابزار وب در دسترس عموم برای فعال کردن توسعه دهندگان نوپا و سرمایه گذاران خطرپذیر برای کشف قابلیت اقتصادی طرح های مختلف سیستم های زمین گرمایی حلقه بسته. آزمایشگاه ملی آیداهو متغیرهایی را از نمونه اولیه سیستم زمین گرمایی در آزمایشگاه به اشتراک گذاشت و بهبودهای احتمالی مختلف را در سیستم‌های زمین گرمایی حلقه بسته برای بهبود قابلیت اقتصادی آنها بررسی کرد.
محققان نتایج خود را در قالب مقاله ای که اخیراً در مجله علمی منتشر شده به اشتراک گذاشتند ژئوترمال. وزارت نیرو دفتر فناوری زمین گرمایی از مطالعه حمایت کرد.
تیم Sandia دو تنظیم اساسی برای سیستم های زمین گرمایی حلقه بسته را بررسی کردند. مارتینز گفت: یکی از آنها که U-pipe نامیده می شود، جایی است که آب سرد به پایین یک لوله عمودی عمیق پمپ می شود که سپس به صورت افقی در فاصله معینی در عمقی که سنگ داغ است گسترش می یابد و سپس از جای دیگری خارج می شود. دیگری که لوله در لوله نامیده می شود، جایی است که آب سرد از لایه بیرونی لوله به عمق معینی پمپ می شود، سپس لوله 90 درجه چرخیده و یک فاصله افقی در آن عمق امتداد می یابد. سپس آب داغ به انتهای لوله برخورد می کند و به لوله داخلی فشار داده می شود، همان مسیری که آمده است.
تیم Sandia اعماق بین 0.6 مایل تا کمی بیش از 3 مایل را بررسی کردند و مسافت طی شده در آن عمق از 0.6 مایل تا نزدیک به 12.5 مایل را بررسی کردند. مارتینز گفت، آنها چندین عامل مختلف را بررسی کردند، یکی از آنها گردش آب یا دی اکسید کربن فوق بحرانی بود، گازی که تحت فشار زیادی است که بیشتر شبیه مایع عمل می کند و می تواند گرمای بیشتری را جذب کند.
آنها همچنین دمای سیال را که در چاه پایین می رفت و سرعت پمپاژ سیال به پایین را کنترل کردند. پارامترهای دیگری که آنها بررسی کردند شامل سرعت گرم شدن سنگ با عمق، اینکه سنگ چقدر گرما را به سیال در گردش لوله منتقل می کند و قطر لوله چقدر است.
تیم Sandia از یک بسته نرم افزاری شبیه سازی مکانیک مهندسی به نام استفاده کردند سیرا و نرم افزار تحلیل پارامتریک داکوتا یارو واسیلیف، دانشمند کامپیوتر در Sandia که کدهای سیرا را توسعه می دهد و در این پروژه مشارکت دارد، گفت: برای بررسی تمام پارامترهای مختلف.
واسیلیف گفت: ما هفت پارامتر را تغییر دادیم و دما و فشار خروجی مربوطه را محاسبه کردیم. “شما می توانید آن را به یک مدل سربار وارد کنید که هزینه تراز گرما و هزینه تراز برق را محاسبه می کند، چیزی که NREL روی آن کار می کند.”
مارتینز گفت که استفاده از یک مدل عددی ساده شده به جای نمایش کامل سه بعدی و اجرای محاسبات روی خوشه های محاسباتی با کارایی بالا Sandia به محققان این امکان را می دهد که چندین میلیون مجموعه از پارامترها را مدل کنند.
او گفت: “بخشی از تازگی این کار این است که ما می توانیم موارد مختلف، پارامترهای بسیار متفاوتی را برای این دو سیال و این دو طرح – لوله U و لوله در لوله تجزیه و تحلیل کنیم.”
محققان Sandia همچنین مدل‌های فشرده‌تری از سیستم‌های زمین گرمایی در سنگ‌های نفوذپذیر با آب‌های زیرزمینی ساختند، جایی که انتقال حرارت همرفتی اضافی منجر به انتقال حرارت سریع‌تر و پایدارتر از سنگ به سیال در گردش می‌شود. آنها دریافتند که این افزایش انتقال حرارت باعث بهبود اقتصادی سیستم زمین گرمایی حلقه بسته نیز می شود.
مارتینز گفت: “سنگ مرطوب بهتر است و می تواند کمی بهتر باشد، اما مکان های زیادی وجود ندارد که به طور طبیعی چنین شرایطی را داشته باشند.”
محققان ساندیا چندین پیشرفت احتمالی در این سیستم را بررسی کردند، مانند پوشش چاه با سیمان با هدایت حرارتی بالا. مارتینز گفت، آنها دریافتند که بهتر است فقط لوله را بزرگتر کنند. مارتینز گفت، آنها همچنین دریافتند که مدل آنها می تواند عملکرد یک پیکربندی زمین گرمایی چند وجهی یا “عنکبوت” را به سادگی با تنظیم درجه افقی در ابزار بر روی درجه کل همه پاها تقریبی کند.
واسیلیف گفت: “ما این سوال را پرسیدیم که “هزینه حفاری مورد نیاز برای برآورده ساختن هدف 2035 هزینه برق یکسان شده وزارت انرژی برای سیستم های زمین گرمایی پیشرفته چقدر است؟” این هدف 45 دلار در هر مگاوات ساعت است. ما دریافتیم که برای دستیابی به این هدف با استفاده از سیستم‌های حلقه بسته در شیل گرم و خشک، باید هزینه‌های حفاری بسیار کاهش یابد.
###
آزمایشگاه‌های ملی ساندیا یک آزمایشگاه چند مأموریتی است که توسط شرکت فناوری ملی و راه‌حل‌های مهندسی Sandia LLC، یکی از شرکت‌های تابعه شرکت بین‌المللی هانی‌ول، برای اداره امنیت ملی هسته‌ای وزارت انرژی ایالات متحده اداره می‌شود. آزمایشگاه های Sandia دارای مسئولیت های عمده تحقیق و توسعه در بازدارندگی هسته ای، امنیت جهانی، دفاع، فن آوری انرژی و رقابت اقتصادی است، با تاسیسات اولیه در آلبوکرکی، نیومکزیکو، و لیورمور، کالیفرنیا.
