Geoterm Systems'te Heat Transfer Akışkanlarına Giriş

Yüksek sıcaklık jeotermal enerji - 150 °C'nin üzerindeki sıcaklıklardan alınan rezerveler - elektrik ve doğrudan ısıya güvenilir bir şekilde çalışabilme yeteneğine sahip olan sabit, düşük karbonlu bir enerji kaynağıdır. Bu makale, yüksek sıcaklık uygulamaları için HTF teknolojilerindeki son gelişmeleri inceler ve gelecekteki yenilikler için umut verici adımlar attı.

Geotermal enerji santralleri, özellikle gelişmiş jeotermal sistemleri (EGS) veya derin hidrotermal rezervuarları kullananlar, 200 °C'yi aşabilecek HTF'leri gerektirir - ve bazen 400 °C veya daha fazla - su, buhar ve sentetik yağlar da endüstriye hizmet ederler, ancak önümüzdeki seçenekler arasında silikon bazlı sıvılar, moltenler ve nanofluidler vardır.

Geoterm Systems'de Heat Transfer Akışkanlarının Eleştirel Rolü

Bir jeotermal enerji santralinde, HTF rezervuar, ısıyı emir ve sonra bir çalışma sıvısına transfer eder (örneğin organik bir Rankine döngüsü veya buhar türbinini azaltır). Akışkanın ısı stabilitesi, ısı kapasitesi, vizorasyon ve kimyasal uyumluluk doğrudan bitkinin net güç çıkışı ve operasyonel yaşam süresini etkiler.

Güç nesli ötesinde, yüksek sıcaklık HTFs aynı zamanda, yüksek ısıtma, endüstriyel kurutma ve sera ısıtma gibi doğrudan kullanım uygulamaları da istihdam edilmektedir. Bu ayarlarda, bir HTF'nin seçimi, sistem tasarımı, ekonomi ve çevre ayak izi arasındaki minimum sıcaklık değişiklikleri ile ilgilidir.

HTF Teknolojilerindeki Son Gelişmeler

Son beş ila on yıl boyunca araştırma ve geliştirme, süperktik karbon dioksit (sCO2) ve iyonik sıvılar gibi diğer yeniliklerle birlikte üç birincil kategoriyi tartışıyoruz: silikon bazlı sıvılar, molten tuzlar ve nanofluidler, süperkritik karbon dioksit (sCO2) ve iyonik sıvılar gibi diğer yeniliklerle birlikte.

Silikon Tabanlı Akışlar

Silikon sıvıları - özellikle poliditilsiloxane (PDMS) ve diğer organo ⁇ bileşikleri - olağanüstü termal istikrar ve kimyasal inertness için dikkat edin. Geleneksel hidrokarbon yağlarının aksine, silikon bazlı HTFs, iki ve doğrudan kullanım için pilot projelerde test edilmemiştir. Düşük buhar basıncının düşük verimsiz kayıplarının riskini azaltır ve düşük dondurma noktası soğuk iklimlerde kullanım sağlar.

Bununla birlikte, silikonlar geleneksel yağlardan daha pahalıdır ve termal iletkenliği nispeten düşükdür - bu sınırlamalara rağmen, birkaç üretici şimdi nanofluid formülasyonlarını kullanarak veya kullanmaya devam eden nanofloresanları kullanarak özel olarak tasarlanmış ve devam eden araştırmalar, daha fazla ısınmamayı önlemeyi sağlamak için dikkatlice mühürlenmelidir.

Molten Salts

Staten tuzları, nitrat bazlı karışımlar gibi (örneğin, güneş tuzu –% 60 NaNO3, %40 KNO3) ve klorür bazlı formülasyonlar, yoğun güneş enerjisi (CSP) için onlarca yıldır kullanılmış ve şimdi yüksek ısı kapasitesi ve kapasiteleri artırmak için yüksek ısı kapasitesi için optimize edilmiştir.

Jeotermal özel kullanım için, ana zorluklar korozyondur - özellikle klorür tuzları ile - ve yüksek erime noktası ( 220 °C'nin üzerinde), katılaştırmayı önlemek için borularda ve tanklarda ısıtmayı gerektirir. Son gelişmeler ternary veya yarık tuz karışımlarına odaklanır:0.Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL) gibi, [FONT]

Nanofluid

Nanofluidler geleneksel ısı transfer sıvıları (su, yağlar, hatta molten tuzlar) nanopartiküller - tipik olarak metalik oksitler (Al2O3, CuO), karbon tümotropes (grafen, karbon nanotüpler), veya seramikler - bu, daha küçük ısı değiştiricileri, daha düşük pompalama gücü ve genel olarak verimsizliği artırır.

Laboratuvar çalışmaları, nanofluidlerin gelişmiş özelliklerini tekrarlanan termal bisikletten sonra bile koruduğunu göstermiştir, ancak bu katkılar yüksek sıcaklıklarda da net bir şekilde düşük sıcaklıklara göre % 5-8 oranında artışlar göstermiştir.

Superkktik Karbon Dioksi (sCO2)

Superkktik karbon dioksit (CO2, 31 °C ve 73.8 bar) umut verici bir alternatif olarak ortaya çıkıyor ve yüksek sıcaklık jeotermal sistemler için sıvı çalışıyor.Çünkü sCO2 yüksek yoğunluk ve düşük vizasyona sahiptir, buhardan daha verimli pompalanabilir ve karbon-nötr enerji ve hatta karbon yakalayıcı emisyonlar için çiftleşir.

Birkaç prototip sCO2 jeotermal enerji döngüsü, yüksek baskıya dayanabilen yüksek basınçlı ve ısı değiştiricileri için ihtiyaçtır ve CO2 karbonik asit oluşturmak için su ile birlikte korozyona karşı potansiyel sağlar. Bununla birlikte, yüksek verimlilik ve çevresel faydaların kombinasyonu sCO2, yüksek basınçta en heyecan verici sınırlardan biri.

Ionic Liquids

Ionic sıvılar (ILs) - uygun kabuklar ve iyonlar arasından sıvı olan tuzlar - düşük erime noktası için HTFs olarak incelenebilir ve en az korelasyonları nedeniyle bazı IL formülasyonları su ile karşılaştırılabilir ısıtılabilir ısıtılabilirliği, düşük vizorasyonlar ve tonlanabilir kimya ile birlikte.

Bu avantajların aksine, yüksek akışkanlar ve çevresel kaderleriyle ilgili belirsizlik yavaş ticari kabul görmüşlerdir. Son araştırmalar, sadece 250 °C'nin üzerinde gerçekleşen biyo-derived veya derin-eutectic çözücülere odaklanır (DES) - bu sıvıları ölçeklendirmek ve uzun vadeli güvenilirlik göstermek için daha ucuz ve daha fazla biyodegrad edilebilir.

Meydanlar: Korozyon, Stability ve Çevre Etkileri

Yeni HTF sınıfları önemli gelişmeler sunarken, yaygın jeotermal dağıtım gerçekleşmeden önce çözülmesi gereken kendi zorluk setlerini de beraberinde getiriyorlar.

Yüksek yoğunluklu korozyon

İyi kaplamaların, boruların ve ısı değiştiricilerinin korozyonu, özellikle de oksijen seviyelerinin sıkı bir şekilde kontrol edilmesi durumunda en yaygın alaşımlardan biridir. Araştırmacılar koruyucu kaplamalar geliştirir (örneğin, H2S veya CO2 varlığı) ve bazen Hastelloy® veya Inconel® gibi yeni korozyon malzemelerinin kullanımını hızlandırabilir.

Nanofluids için, nanopartiküller bazen aşındırıcı parçacıklar olarak hareket edebilir, virajlarda ve valflerde erozyonu artırabilir. Parçacık morfolojisi (sürücü vs. plakalet) ve yumuşak, deformable partiküllerin kullanımı bu riski hafifletebilir. Su varlığı karbonik asit korozyonuna yol açabilir, bu 50 ppm altında su içeriği korumak ve korozyon inhibitörleri kullanmak tarafından kontrol edilebilir.

Termal Stability ve Long-Term Performansı

En iyi sıvılar yüksek sıcaklıklara maruz kaldığı zaman bile, yatakların (fouling), vizoloji değişikliklerini ve ısıl performans kaybı. Silikon sıvıları için, ana bozulma mekanizması sürekli olarak optimize edilebilir ve operasyonel maliyetler altında çalışır.

Nanofluids kararlılıkla ilgili sorunlarla karşı karşıya kalabilirler: aylarca veya operasyon yılı boyunca nanopartiküller, jeotermal rezervuarlarda bulunan geniş sıcaklık ve kimya koşullarını sağlayan daha büyük kümelere girebilirler.

Çevre ve Düzenlemeler

Tüm HTFs sonunda hayatlarının sonunda yönetilmelidir. Konvansiyonel sentetik yağlar toksisite ve tasarruf sorunları yaratırken, bazı iyonik sıvılar su organizmalarında ekooksisite göstermiştir. Molten tuzlar genellikle daha az zararlıdır, ancak çevrede kazaklar hala birçok bölgede gelişiyor olabilir. Superktik CO2, eğer endüstriyel kaynaklardan yakalanırsa, hala sorunlu olabilir. Hayat döngüsü değerlendirmeleri her HTF'nin net çevresel etkisini değerlendirmek için önemlidir.

Ayrıca, yeni sıvıların üretimi - özellikle nanofluidler ve iyonik sıvılar - enerji yoğun olabilir, potansiyel olarak bazı iklim faydalarını sindirebilir. Endüstri, biyolojik sıvılar ve geri dönüşüm nanopartiküller için kullanılan biyo-yakıtlı öncüler için kullanılan enerji bazlı sentez rotalarına doğru ilerliyor.

Future Research

Yüksek sıcaklık jeotermal enerjinin tam potansiyelini ortaya çıkarmak için, bir sonraki HTF'lerin nesli, maliyet ve çevresel ayak izi miniken belirli rezervuar koşulları için uygun hale getirilecektir.

Hibrit Akışkanlar Sistemleri

Farklı HTFs'in güçlülerini birleştirmek - örneğin, CSPgeotermin bitkiler için bir molten tuz döngüsü kullanılarak ve ilk ticari projeler 2020'lerin sonlarında bekleniyor. Gelişmiş kontrol sistemleri, iki döngü arasındaki etkileşimleri yönetebiliyor, ısıyı, depolamayı ve nesli dengelemek için.

Gelişmiş C ⁇ Modelling

Moleküler dinamik simülasyonlar ve makine öğrenimi yeni sıvı formülasyonlarının keşfini hızlandırıyor. Deneme ve terörle ilgili olarak, araştırmacılar, uzun vadeli sıvı davranışların, ısı iletkenliği, vizoloji ve dekompozisyon sıcaklığı için binlerce potansiyel çözücüyü ekranlayabiliyorlar. Datasets from theETHFLT:0DO)

Field Demonstrations and Standardisation

Laboratuvar sonuçları umut verici olsa da, yüksek basınçları ile gerçek dünya ortamı, reaktif geokimya ve biyofilm (daha düşük sıcaklık döngüleri için) beklenmedik başarısızlıklar üretebilir. Endüstri destekli gösteri projeleri, genellikle ulusal laboratuvarlarla ortaklıkta, gelişmiş HTF'lerin performanslarını çok yıllık dönemlerde doğrulamak önemlidir.

Gelişen Geotermal Teknolojilerle entegrasyon

JJ teknolojisi, EGS, kapalı su (düşük jeotermal sistemler) ve süper sıcak hava pompası (>370 °C) kaynaklarına göre HTF'lerin talepleri dramatik bir şekilde artacaktır. - Aşırı vakum veya ağ geçidi altında çalışabilecek şekilde HTF'lerin sıcaklıklarını da artırmak için.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Sıcaklık transfer sıvılarında ilerlemeler yüksek sıcaklıklı jeotermal enerjinin genişlemesine merkezidir. silikon bazlı yağlardan ve molten tuzlardan nanofluidlere ve süperktik CO2'ye kadar, her teknoloji eşsiz faydaları ve yüzleri farklı zorluklar sunar. Araştırmanın yörüngesi açık: sıvılar küresel temiz geçişte daha fazla ısıtılabilir, daha az korelatif ve daha çevresel bir şekilde iyileştirici bir rol oynayabilir.