تصميم نظم تبادل الهواء المستدام للمصانع الحرارية الأرضية

العناصر الأساسية لنظام تبادل الحرارة

ويشمل كل نظام للتبادل الحراري الحراري الجيولوجي عدة مكونات حاسمة من قبيل الآبار المنتجة التي تجلب السوائل الساخنة (المزارع أو البخار) إلى السطح؛ ومبادلات حرارية أولية (أو سلسلة من المبادلات) تنقل الحرارة إلى سوائل العمل؛ ونظام التبريد الثانوي (أفران التبريد، وأبراج التبريد المبللة، أو أجهزة التثبيت المحتوية على مركب جو) التي ترفض حرارة النفايات؛

مبادئ التصميم الرئيسية للاستدامة

إدارة الموارد وإعادة الحقن

The Sustainability begins with maintaining reservoir pressure and temperature over decades. Reinjection) of cooled brine back into the formation is mandatory in virtually all modern plants to avoid reservoir depletion and land subsidence. careful management of reinjection well placement prevents thermal breakthrough (cooling of the production tracerjected liquid studies).

نظم مغلقة مغلقة

أما النظم الحرارية الأرضية المغلقة (مثل تصميم Eavor -Loop) فتعمم سائلاً مختوماً من خلال مبادلات حرارة عميقة جداً، وتزيل فقدان السوائل وتمنع تلوث طبقات المياه الجوفية، وفي حين أن مفاهيم الغلق المبكر التي عانت من انخفاض معدلات استخراج الحرارة، فإن أوجه التقدم الأخيرة في الحفر العميق وتصميمات الرافوسيف تعمل بوصفها نظاماً ثانوياً شبه مقفل.

كفاءة نقل النفايات واختيار المواد

سلفات نقل النفايات المتطورة من أجل تعزيز الاستدامة

السائل المنوي والمضافات

ويمكن أن يؤدي إضافة الجسيمات النانوية (مثلاً، المادة 2-3، أو الكيماويات، أو الغرافينية) إلى زيادة القدرة على التصرف الحراري بنسبة 10 إلى 40 في المائة، وتحسين معامل نقل الحرارة دون زيادة طاقة الضخ، غير أن النانويات تشكل تحديات مثل التثبيت والتآكل وارتفاع التكلفة.

ثاني أكسيد الكربون الخارق للخطوبة

وتمارس دورات ثاني أكسيد الكربون فوق درجة الحرارة العالية أعلى من مستوى كفاءة استخدام مادة الـ ORC بالنسبة للموارد الحرارية الأرضية المتوسطة الحرارة، وتتمتع هذه المادة بخواص ممتازة لنقل الحرارة وقلة الحساسية، مما يقلل من انخفاض الضغط وعمل الضخ، وعلاوة على ذلك، فإن استخدام ثاني أكسيد الكربون كسائل عامل يخلق إمكانية عزل الكربون: ومن بين ما يفصل ثاني أكسيد الكربون في الرشوة ويظل تحت الأرض، مما يقلل مباشرة من الضغوط.

مواد التشاؤم المرحلة للتخزين الحراري

ويسمح دمج تخزين الطاقة الحرارية باستخدام مواد تغيير المرحلة باستخدام محطات الحرارة الأرضية بتفكيك استخراج الحرارة من توليد الطاقة الكهربائية، مما يوفر إمكانية الإرسال، وتُستخدم مبادلات الحرارة في PCM، التي تملأ بأملاح متحركة أو مواد مسببة للبارفين، وتستوعب الطاقة الحرارية الزائدة خلال فترات منخفضة الطلب وتُطلقها إلى سوائل العمل خلال فترات الذروة، مما يُحسِّن عوامل القدرة ويمكِّن من التنافس على استخدام الطاقة الحرارية الحرارية كمورد سائل مرنة.

تشكيلة النظام الابتكاري والتكامل

Enhanced Geothermal Systems (EGS)

(ب) استخدام نظام " إي جي إل جي إل جيولوجي " للتحفيز الهيدروليكي لخلق كسور في الصخور الساخنة المنخفضة القدرة على التحمل، مما يتيح استخراج الحرارة حيثما تكون القدرة الطبيعية غير كافية، ويصبح الموصل الحراري كامل شبكة الكسور المحفزة، ويستلزم تصميم نظام إي جيو إس المستدام ضبطاً دقيقاً لمقاييس الكسور وتوقيت التحفيز لتجنب الارتطام.

النظم الحرارية الأرضية الهجينة - الشمسية

ويمكن أن يؤدي الجمع بين تبادل الحرارة الحرارية الأرضية مع الطاقة الشمسية المركزة أو أجهزة جمع الطاقة الحرارية الضوئية إلى زيادة درجة حرارة سائل العمل قبل دخول دورة الطاقة، وزيادة كفاءة الحرارة، والعملية التمكينية في مدار السنة، كما أن شبكة مبادلات الحرارة يجب أن تستوعب مدخلات شمسية متغيرة، مع حماية دائرة الحرارة الأرضية الثابتة من الصدمات الحرارية.

Waste Heat Recovery and Cogeneration

فالتصميم المستدام يستعيد حرارة النفايات من دورة الحرارة الأرضية بالنسبة لاستخدامات أخرى، فعلى سبيل المثال، يمكن توجيه الرشوة المنخفضة الحرارة التي تخرج من مبادلات الحرارة الأولية من خلال مبادلات حرارية ثانية إلى تدفئة المناطق أو تدفئة الديازات أو تربية الأحياء المائية، وهذا النهج التعاقبي يزيد من كفاءة تحويل الطاقة الإجمالية من نحو 10 إلى 15 في المائة (الكهرباء وحدها) إلى أكثر من 70 في المائة عند إدراج مواد تبادلية.

المنافع البيئية والاقتصادية

خفض انبعاثات غازات الدفيئة

)أ( إن تصميمات التبادل الحراري المستدام - خاصة ثنائية ونظم مغلقة - تخفف الانبعاثات المباشرة بالكامل، ويمكن أن يؤدي استخدام سوائل العمل من ثاني أكسيد الكربون وتخزين الكربون إلى انبعاثات سلبية.

حفظ المياه واستخدام الأراضي

كما أن تصميمات الغلق والدورات الثنائية تستهلك الحد الأدنى من المياه العذبة؛ ويمكن التبريد عن طريق أبراج التبريد الجاف أو أجهزة التكدس المزودة بالهواء، مما يقلل بدرجة كبيرة من سحب المياه مقارنة بالمنشآت الحرارية الوميضية أو المبللة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن المرافق الحرارية الأرضية لا تحتاج إلا إلى هكتار واحد إلى ٢ لكل ميغاواط من المدافع المركبة التي تقل مساحتها عن المزارع الشمسية )٤ هكتار/ميغاواط( وعلى مستوى المميت.

Economic Viability and Risk Mitigation

وفي حين أن تكاليف الطاقة الحرارية الأرضية (التدفئة، ومعدات تبادل الحرارة) مرتفعة في كثير من الأحيان تتراوح بين 4 و7 ملايين دولار لكل تكلفة وقود من طراز MW-their هي صفر، وتكاليف التشغيل منخفضة، ويمكن أن تؤدي تصميمات مبادلات الحرارة المستدامة التي تمد حياة المعدات (مثلاً، المحار الدوارة، والجداول التنظيفية الذكية) إلى تحسين التكلفة المستقرة للكهرباء (LCOE) بتخفيض أسعار الصرف الجبرية)().

التحديات والنظرات العملية

Scaling, Corrosion, and Chemistry Management

والارتقاء بالسيليكا هو أكثر التحديات استمراراً في مجال القدرة على تحمل الحرارة الأرضية، وعندما تكون برودة الصنوبر المشبعة بالفلور، فإن التهابات الحريرية على سطح النقل الحر، والحد من الكفاءة وزيادة انخفاض الضغط، وتشمل استراتيجيات التخفيف تعديل الهيدروجين (حقن مكتوم)، والضغط على الوميض لإزالة السليل في أعلى المجرى، واستخدام مضادات البليمر في الاختناق الصلبة(5).

Induced Seismicity and Reservoir Management

ويمكن أن تؤدي إعادة الحقن على نطاق واسع والتحفيز الهيدروليكي إلى حدوث ظواهر ميكروزية، ويشمل التصميم المسؤول رصد الزلازل الأساسية، وبروتوكولات الرحل التي تضبط معدلات الحقن استنادا إلى حجم الأحداث، وتُبعد عن الأخطاء الحرجة بشكل جيد، ويجب أن يستوعب تصميم مبادلات تبديل الحرارة ضغوطاً متغيرة ومعدلات تدفقها مع الحفاظ على الأداء الحراري، أو تصميمات المغلقة التي تتجنب الظواهر السيزمانية الحساسة بيئياً.

رأس المال السطحي العالي ومخاطر التدريل

ويُعزى نظام مبادلات الحرارة نفسه إلى 10-15 في المائة من مجموع تكاليف النبات، ولكن أكبر المخاطر يظل الحفر (30 إلى 50 في المائة من رأس المال) ويمكن أن يؤدي تصميم مبادلات الحرارة المستدامة إلى الحد من المخاطر العامة عن طريق التمكين من تشغيل أسعار تدفق منخفضة (عن طريق زيادة كفاءة الصرف) أو باستخدام مبادلات متحركة ذات مواصفات تقلل تكاليف التركيب الميداني، كما أن توحيد وحدات مبادلات الحرارة عبر محطات متعددة يمكن أن يقلل تكاليف التصنيع ويحسن مراقبة الجودة.

التوقعات المستقبلية والتوجيهات البحثية

(ب) إن شبكات تبادل الحرارة الحرارية الأرضية القادمة ستدفع درجة الحرارة والحد من الضغط. Superhot geothermal وتستهدف درجات الحرارة فوق 400 درجة مئوية بعمق 5-10 كم، وتحتاج إلى مبادلات حرارية قادرة على معالجة المياه السطحية أو ثاني أكسيد الكربون.

خاتمة

وسيتطلب تصميم نظم مستدامة لتبادل الحرارة في النباتات الحرارية الأرضية اتباع نهج متكامل يوازن بين الديناميكيات الحرارية وعلوم المواد وإدارة الخزانات والإدارة البيئية، كما أن الدورات الملزمة، والتشكيلات المغلقة - وسوائل العمل المتقدمة، والصيانة المتوقعة هي استراتيجيات ثبتت صحتها لتحقيق أقصى قدر من استخراج الحرارة، مع التقليل إلى أدنى حد من استنفاد الموارد والانبعاثات، ويشمل المسار المستقبلي وضع دورات مستخرجة من الطاقة،