السلف في تخزين الطاقة الحرارية الحلول التي تستخدم الحرارة الأرضية

Advances in Thermal Energy Storage Solutions Using Geothermal Heat

وقد تم الاعتراف منذ وقت طويل بالطاقة الحرارية الأرضية كمورد ثابت منخفض الكربون، إلا أن أحد القيود التاريخية التي تفرضها كان عدم التوافق بين إنتاج الحرارة والطلب على الذروة، كما أن أوجه التقدم الأخيرة في مجال تخزين الطاقة الحرارية المدمجة في النظم الحرارية الأرضية تزيل هذا الحاجز، والمرافق التمكينية، والمرافق الصناعية، وشبكات التدفئة في المناطق لاستخلاص المزيد من الحرارة والإطلاق عند الحاجة، وهذه التطورات حاسمة حيث أن الشبكات تستوعب نصف الحسابات المتجددة العالمية تقريبا وتبدواً.

How Geothermal Thermal Energy Storage Works

ويخزن مادة التنس الحرارية الأرضية طاقة حرارية زائدة من مصادر الحرارة الأرضية - سواء كانت طبيعية تحدث في الماء الساخن/البخار أو الحرارة المستخرجة عن طريق نظم مغلقة - للاستخدام في وقت لاحق، وهذا يزيل إنتاج الطاقة من الاستهلاك، ويتيح توصيل الحرارة المستمر، حتى عندما يتأثر الناتج الحراري الجيولوجي أو يرتفع الطلب، وهذا المبدأ بسيط: يُحَلَّل الحرارة في مستخرج من مستودع تحت سطح الأرض أو في وقت لاحق من خلال الاستخدام المنخفض.

وتهيمن ثلاثة تشكيلات رئيسية للتخزين على المشهد: تخزين الطاقة الحرارية في طبقة المياه الجوفية، وتخزين الطاقة الحرارية بالثقوب، وتخزين الكهوف أو الحفر، ولكل منها احتياجات جيولوجية وخصائص أداء متميزة.

تخزين الطاقة الحرارية في طبقة المياه الجوفية

وتستخدم هذه المبيدات طبقات المياه الجوفية الطبيعية كمستودعات التخزين المتوسطة ومخزن التبادل الحر، وعادة ما يتم حفر بئر واحد من أجل حقن المياه الدافئ أثناء الشحن، وثانيها من أجل التصريف أثناء التصريف، وطبقة المياه الجوفية ذاتها توفر حجم التخزين، وتشمل التطورات الأخيرة تصميمات منافذ الغلاف الجوي المغلقة التي تقلل من ردود الفعل الجيوكيميائية، مثل التوسع والارتقاء، وتكامل نظم التحكم الافتراضي في المقاييس.

Borehole Thermal Energy Storage (BTES)

ويستخدم هذا النظام صفائف من الثقوب العمودية - التي تبلغ في كثير من الأحيان 100 إلى 300 متراً عميقة السائل المحتوي على حرارة متداولة عبر البوق الأولوب، وتظهر الأعمال المتعلقة بالصخور أو التربة المحيطة بها، بوصفها وسيط التخزين، كما أن الابتكارات في المواسير ذات القدرة الحرارية العالية، ومواد المدافن الخلفية المحسنة، قد حسنت إلى حد كبير معدلات نقل الحرارة في كندا.

روك سيفرن وبيت ستراب

وفي الحالات التي تكون فيها طبقات المياه الجوفية غير ملائمة، تحفر الكهوف المصممة في الصخور أو حفر الخيط - تخزن مياه ساخنة أو بخار في درجات حرارة عالية (حتى 200 درجة مئوية) وقد أدى التقدم في البطانات الخرسانية المزروعة وتكنولوجيا الغشاء المرنة إلى خفض معدلات فقدان الحرارة إلى أقل من 1 في المائة في اليوم، مما يجعل التخزين طويل الأجل قابلاً للاستمرار، وقد عملت المدينة النمساوية في مجال تخزين فائض في منطقة الشتاء يبلغ 000 50 متر مكعب.

آخر المنجزات التكنولوجية

وهناك ثلاثة مجالات من مجالات الابتكار تدفع تحسينات الأداء وتخفيض التكاليف على جميع أنواع التخزين: تعزيز مبادلات الحرارة، والرصد والمراقبة الذكية، والنُهج الهجينة التي تقترن بطبقات قياس الحرارة الأرضية وتكنولوجيات تكميلية.

تحسين عمليات تبادل مياه المجارير

(ب) يستعاض عن البوليثيلين التقليديين U —-tubes بتصميمات متماسكة ومواد معززة حرارياً.() وتخفض أيضاً الأنابيب الملتوية ذات الطاقة الصلبة، مثل زيادة الاضطراب ونقل الحرارة مع مقاومة التوسع. ) وتخفض أيضاً وحدات التسخين الحرارية المتدفقة ويمكن أن تحسن العائد الحراري بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة

نظم الرصد والمراقبة الذكية

ويعرض الآن استشعار درجة الحرارة الموزعة باستخدام الكابلات الألياف الضوئية التي تم تركيبها على طول أغلفة الثقوب، بيانات قياسية عن درجات الحرارة في الوقت الحقيقي على عمقها بأكمله، مع استشعارات عن طريق شبكة الإنترنت لأمور تتعلق بمعدلات التدفق والضغط وكيمياء المياه، يمكن للمشغلين أن يضبطوا مواقع التموين وتفريغ الجداول الدينامية.

حلول التخزين الهجينة

ويمكن أن يتغلب إدماج مادة التنس الحرارية الأرضية في وسائل التخزين الأخرى على حدود درجات الحرارة، فعلى سبيل المثال، قد يخزن نظام حرارة متوسطة الحرارة (50-90 درجة مئوية) في طبقة مياه جوفية لتدفئة الفضاء، مع استخدام حلقة مميتة أو مواد تغييرية تدريجية (PCMs) للتدفئة الصناعية العالية الحرارة أو توليد الطاقة.

الفوائد الرئيسية للتطورات الحرارية الأرضية المتقدمة

وتترجم هذه القفزات التكنولوجية إلى مزايا قابلة للقياس لمطوري مشاريع الطاقة والمرافق والمستعملين النهائيين.

زيادة الكفاءة ومصانع القدرات

ومن خلال تخزين الحرارة الزائدة خلال فترات انخفاض الطلب، يمكن أن تعمل النباتات الحرارية الأرضية بعوامل قدرة أعلى - تتجاوز في الغالب 90 في المائة - أكثر مما يجري تقليصه، ويتيح التخزين الموسمي للحرارة المنتجة في الصيف لتلبية حمولات التدفئة في الشتاء، ويحول فعلياً مورداً من حمولة القاعدة إلى نظام مرسل - ويتنافس الآن في كفاءة نظم البيانات الحديثة ونظم BTES التي تستخدم في محطات الحرارة التقليدية - الغازات المشتعلة على أساس مصدر.

تعزيز الموثوقية وخدمات المظالم

ويمكن أن توفر هذه المقاييس الحرارية الأرضية قدرة ثابتة ومرنة على شبكات التدفئة في المناطق، مما يقلل من الاعتماد على مغلي الغازات التي تعمل بحجم ذروة، وفي المناخ البارد، يمكن إطلاق حرارة مخزنة على مدى عدة أيام لتغطية الظواهر الجوية القصوى، ويمكن أن تدعم أيضاً مضخات الحرارة الأرضية المخزنة برامج الاستجابة في جانب الطلب، مما يساعد على توازن شبكات الكهرباء مع ارتفاع معدل التغلغلُّب المتجدد.

خفض التكاليف على مدى الحياة

وفي حين أن تكاليف رأس المال الأولية للحفر، ومبادلات الحرارة، ونظم المراقبة لا تزال كبيرة، فإن فترة أطول من عمر المعدات (40 سنة بالنسبة لصفائف الثقوب المحتوية على مقومات عالية) وانخفاض الصيانة من المواد المتقدمة يقلل من التكلفة المخفضة للحرارة المخزنة، ويفيد مجلس الطاقة الحرارية الأرضية الأوروبي بأنه، إلى جانب الوفورات التشغيلية من عمليات شراء الوقود التي تتجنبها، يمكن أن تحقق معدلات استرداد للأجهزة الحرارية الأرضية المتقدمة فترات تتراوح بين 5 و 8 سنوات لتطبيقات التدفئة المحلية.

المزايا البيئية والتنظيمية

وتقضي مادة التحلل الحراري الأرضي على انبعاثات الاحتراق المباشر وتخفض البصمة الكربونية للتدفئة بنسبة تتراوح بين 70 و90 في المائة مقارنة بالغاز الطبيعي، كما تتفادى النزاعات المتعلقة باستخدام الأراضي المرتبطة بتخزين سطح الأرض ويمكن نشرها تحت البنية التحتية القائمة، وتدرج العديد من الولايات القضائية، بما فيها ألمانيا وهولندا، التخزين الحراري تحت الأرض في حوافز التدفئة المتجددة وأطر السندات الخضراء.

التحديات والطريق إلى الأمام

وعلى الرغم من الزخم القوي، لا تزال هناك عقبات كبيرة، فالتغير الجيولوجي يعني أن كل موقع يتطلب إجراء دراسات استقصائية شاملة عن الزلازل، وحفر الاختبارات، وزيارات النماذج الهيدروجيولوجية إلى جداول زمنية للمشاريع، وأن الأطر التنظيمية للتخزين الحراري تحت الأرض لا تزال آخذة في التطور، ولا سيما فيما يتعلق بالحق في حيز الدواجن تحت السطحية وحماية المياه الجوفية، ولا تزال تكلفة الحفر هي المهيمنة على رأس المال؛ كما أن تقنيات الحفر الجديدة المقترضة من النفط والغاز.

وتشمل أولويات البحوث وضع تصميمات موحدة لمجموعات الثقوب المتحركة، وتحسين الاحتفاظ بالحرارة الطويلة الأجل في التكوينات المنخفضة القدرة على الأداء، وإيجاد أدوات محاكاة مفتوحة المصدر من أجل التنبؤ الدقيق بالأداء.() وقد أنشأت الرابطة الدولية للحرارة الأرضية ] فريقا عاملا مخصصا للتخزين الحراري لتنسيق هذه الجهود.

التوقعات المستقبلية والتوسع

وتشير التوقعات السوقية من التمويل الجديد للطاقة في بلومبرغ إلى أن القدرة العالمية على استخدام الطاقة الحرارية الأرضية يمكن أن تنمو من حوالي 2 غوات اليوم إلى 25 جيوث بحلول عام 2035، ويقودها إلى حد كبير تدفئة المناطق في أوروبا وأمريكا الشمالية، بالإضافة إلى الطلب على الحرارة الصناعية في الصين، وهناك مشاريع رائدة تجمع بين مادة التنس الحرارية الأرضية ذات الطاقة الشمسية المركزة والكتلة الأحيائية جارية بالفعل في إسبانيا والولايات المتحدة.

أما التقدم المحرز في التواؤم الرقمي - حيث يجري باستمرار تحديث نموذج افتراضي في الوقت الحقيقي لنظام التخزين مع بيانات الاستشعار - سيسمح للمشغلين بالارتقاء بالجدول الزمني/التخلص من الاحتياجات المتعلقة بالنفقة على النحو الأمثل، ويمكن أن يؤدي الجمع بين مادة TES الحرارية الأرضية والاستخبارات الاصطناعية إلى زيادة المكاسب في الكفاءة، مما يجعل التكنولوجيا قادرة على المنافسة مع البطاريات الليثيوم للتحول الحراري في الدييورينات، على أساس تكلفة كبيرة من مخزون الرأسمالي.

وفي نهاية المطاف، يمثل نضج تخزين الطاقة الحرارية الأرضية جزءا حيويا من أحجية إزالة الكربون - وهي طريقة لتخزين الحرارة بكلفة رخيصة، على نطاقها وتحت سطحها، باستخدام التكنولوجيا التي ثبتت بالفعل، ومع استمرار التعاون بين مؤسسات البحوث وشركات الطاقة وصانعي السياسات، فإن قطاع الطاقة الحرارية الأرضية قادر على أن يصبح حجر الزاوية في التحول العالمي للطاقة النظيفة.