المياه الجوفية توفر حلاً للتدفئة والتبريد الأخضر وتقليل استهلاك الغاز الطبيعي والكهرباء
ضخ المياه من الخزانات الموجودة تحت الأرض وتسخينها على السطح في الصيف بالحرارة البيئية أو الطاقة الزائدة من الطاقة الشمسية
يأتي حوالي 12٪ من إجمالي الطلب العالمي على الطاقة من تدفئة وتبريد المنازل والشركات.
تشير دراسة جديدة إلى أن استخدام المياه الجوفية للحفاظ على درجات حرارة مريحة يمكن أن يقلل من استهلاك الغاز الطبيعي والكهرباء في هذا القطاع بنسبة 40 %.
يمكن أن يساعد النهج، المسمى تخزين الطاقة الحرارية للخزان الجوفي (ATES) ، في منع انقطاع التيار الكهربائي الناتج عنالطاقة العالية، الطلب أثناء الظواهر الجوية الشديدة.
تخزين الطاقة الحرارية الجوفية
قال المؤلف الأول ATD Perera ، وهو باحث سابق لما بعد الدكتوراه في مختبر لورانس بيركلي الوطني، وهو الآن في مركز أندلينجر للطاقة والبيئة بجامعة برينستون “نحتاج إلى التخزين لامتصاص الطاقة المتذبذبة من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، ويهتم معظم الناس بالبطاريات وأنواع أخرى من التخزين الكهربائي، لكننا كنا نتساءل عما إذا كانت هناك أي فرصة لاستخدام تخزين الطاقة الحرارية الجوفية، لأن التسخين والتبريد هو السائد ، إن جزءًا من الطلب على الطاقة للمباني ” .
قال بيريرا: “وجدنا أنه مع ATES ، يمكن تخزين كمية هائلة من الطاقة، ويمكن تخزينها لفترة طويلة من الزمن”، “ونتيجة لذلك، يمكن تلبية الطلب على طاقة التدفئة والتبريد خلال فترات الحرارة أو البرودة الشديدة دون إضافة عبء إضافي على الشبكة، مما يجعل البنية التحتية للطاقة الحضرية أكثر مرونة.”
الدراسة، التي نُشرت هذا الأسبوع في مجلة أبلايد إنيرجي، هي واحدة من الاختبارات الأولى حول كيف يمكن أن تتناسب ATES مع الهدف الأكبر المتمثل في إزالة الكربون من أنظمة الطاقة الأمريكية عن طريق تخزين الطاقة المتجددة المتقطعة لاستخدامها عندما لا تكون الشمس مشرقة وتتعطل التوربينات.
تخزين الطاقة الحرارية للخزان الجوفي
بعد بناء محاكاة تكنولوجية واقتصادية شاملة لنظام الطاقة، وجد المؤلفون أن ATES هو خيار مقنع لتسخين وتبريد تخزين الطاقة، جنبًا إلى جنب مع التقنيات الأخرى مثل البطاريات، يمكن أن يساعد في إنهاء اعتمادنا على الطاقة الاحتياطية المشتقة من الوقود الأحفوري وتمكين شبكة متجددة بالكامل.
يستخدم تخزين الطاقة الحرارية للخزان الجوفي (ATES) المياه الجوفية التي تحدث بشكل طبيعي لتخزين الطاقة التي يمكن استخدامها لتدفئة وتبريد المباني.
عندما يقترن مع طاقة الرياح والطاقة الشمسية، يصبح ATES خيارًا خالٍ من الكربون لتنظيم درجة الحرارة.
توضح هذه الرسوم التوضيحية كيف يتم تحريك المياه لأعلى للتدفئة في الأشهر الحارة، ثم يتم ضخها مرة أخرى وتخزينها حتى فصل الشتاء، عندما يتم إحضار الماء الدافئ (الساكن) مرة أخرى لتدفئة المباني.
وتحدث نفس العملية في الشتاء مما يؤدي إلى تخزين الماء البارد لاستخدامه في أشهر الصيف.
وضع الديناميكا الحرارية في العمل
ATES هو مفهوم بسيط مبهج يستفيد من خاصية امتصاص الحرارة للمياه والسمات الجيولوجية الطبيعية للكوكب، يمكنك ببساطة ضخ المياه من الخزانات الموجودة تحت الأرض وتسخينها على السطح في الصيف بالحرارة البيئية أو الطاقة الزائدة من الطاقة الشمسية، أو في أي وقت من السنة مع الرياح، ثم تقوم بضخه لأسفل.
أوضح المؤلف المشارك بيتر نيكو، نائب مدير قسم علوم الأرض والطاقة في مختبر بيركلي ورئيس مجال الطاقة والمياه والبنية التحتية: “يظل الجو حارًا إلى حد ما لأن الأرض عازل جيد جدًا”.
ويضيف “لذلك عندما تسحبها في الشتاء، بعد أشهر، يكون الماء أكثر سخونة من الهواء المحيط ويمكنك استخدامه لتدفئة المباني الخاصة بك، أو العكس، يمكنك سحب المياه وتركها تبرد ثم يمكنك ضعها مرة أخرى وقم بتخزينها حتى تحتاج إلى التبريد خلال أشهر الصيف الحارة، إنها طريقة لتخزين الطاقة كدرجة حرارة تحت الأرض. ”
لم يتم استخدام ATES على نطاق واسع حتى الآن في الولايات المتحدة، على الرغم من أنها تكتسب اعترافًا دوليًا، وعلى الأخص في هولندا، ومن المزايا الرئيسية أن هذه الأنظمة تحصل على طاقة حرارية “مجانية” من التغيرات الموسمية في درجات الحرارة، والتي يمكن تعزيزها عن طريق إضافة التدفئة والتبريد الاصطناعي المتولدين عن الكهرباء.
على هذا النحو، فإنهم يؤدون أداءً جيدًا في المناطق ذات التقلبات الموسمية الكبيرة، ولكن لديهم القدرة على العمل في أي مكان ، طالما أن هناك طاقة شمسية أو طاقة شمسية للتوصيل بها. فيما يتعلق بالتأثيرات الأخرى، تم تصميم أنظمة ATES لتجنب التعدي على موارد مياه الشرب الحرجة – غالبًا ما تكون المياه المستخدمة من طبقات المياه الجوفية العميقة أكثر من إمدادات مياه الشرب – ولا تدخل أي مواد كيميائية في المياه.
مقدار الطاقة
للحصول على بعض الأرقام الملموسة التي تقدر مقدار الطاقة التي يمكن أن يوفرها ATES على شبكة الولايات المتحدة، ومقدار تكلفة نشرها، صمم الفريق دراسة حالة باستخدام نموذج حسابي لأحد الأحياء، يتكون هذا الحي الافتراضي من 58 مبنى سكني من طابقين وعائلة واحدة مع تدفئة وتبريد سكنية نموذجية تم توصيلها بمحاكاة لشبكة الطاقة مع العديد من مصادر الطاقة وخيارات التخزين الممكنة، بما في ذلك ATES.
تم استخدام التوقعات المناخية المستقبلية لفهم مقدار ميزانية الطاقة الإجمالية للحي الذي يتم استهلاكه من خلال متطلبات التدفئة والتبريد حاليًا، وكيف يمكن أن يتغير هذا في المستقبل.
أخيرًا، تم تصميم محاكاة الشبكة الصغيرة للحي والتي تضمنت تقنيات الطاقة المتجددة و ATES لتقييم الجدوى التقنية والاقتصادية ومرونة المناخ.
لم يكن تجميع كل هذه العوامل معًا في نموذج واحد ممكنًا بدون خبرة الفريق المتنوعة عبر علوم الأرض والطاقة وعلوم المناخ ومجالات العلوم البنائية.
أظهرت النتائج أن إضافة ATES إلى الشبكة يمكن أن يقلل من استهلاك المنتجات البترولية بنسبة تصل إلى 40٪، على الرغم من أنها ستكلف 15 إلى 20٪ أكثر من تقنيات تخزين الطاقة الحالية.
قال بيريرا ” لكن، من ناحية أخرى، تشهد تقنيات تخزين الطاقة انخفاضًا حادًا في التكاليف، وبعد بضع سنوات فقط من تطوير ATES ، يمكننا بسهولة تحقيق التعادل. ولهذا السبب من المهم جدًا أن نبدأ في الاستثمار في هذا البحث والبدء في بناء -نظم النماذج الأولية في العالم “.
أضاف تيانتشين هونج، المؤلف المشارك وكبير العلماء في قسم تكنولوجيا البناء والأنظمة الحضرية “لا تحتاج ATES إلى مساحة مقارنة مع أنظمة تخزين المياه أو الجليد الموجودة فوق سطح الأرض، كما أن ATES أكثر كفاءة ويمكن توسيع نطاقها لتبريد أو تدفئة المجتمع الكبير مقارنة بأنظمة المضخات الحرارية الجوفية التقليدية التي تعتمد على نقل الحرارة مع باطن الأرض تربة الأرض”.
فائدة رئيسية أخرى لـ ATES هي أنها ستصبح أكثر كفاءة حيث يصبح الطقس أكثر تطرفًا في السنوات القادمة بسبب تغير المناخ، سيكون لفصول الصيف الأكثر حرارة والشتاء الأكثر قسوة التي تنبأت بها النماذج المناخية الرائدة في العالم العديد من الجوانب السلبية، ولكن أحد الجوانب الإيجابية هو أنها يمكن أن تزيد من كمية الطاقة الحرارية المجانية التي يمكن تخزينها باستخدام ATES .
قال نيكو: “إنها تصنع عصير الليمون، أليس كذلك؟ إذا كنت ستواجه هذه الأحداث الشديدة الحرارة، فيمكنك أيضًا تخزين بعض هذه الحرارة عندما يكون لديك حدث شديد البرودة”.
ستعمل ATES أيضًا على جعل الشبكة المستقبلية أكثر مرونة في مواجهة الانقطاعات الناتجة عن متطلبات الطاقة العالية أثناء موجات الحرارة – والتي تحدث كثيرًا هذه الأيام في العديد من مناطق الولايات المتحدة ذات الكثافة السكانية العالية، لأن التبريد الذي يحركه ATES يستخدم كهرباء أقل بكثير من مكيفات الهواء، إنها تحتاج فقط إلى طاقة كافية لضخ المياه حولها.
قال نيكو: “إنه أمر واقعي للغاية، وكان هذا العمل يدور حول إظهار قيمته وكيفية تعويض التكاليف”، “هذه التكنولوجيا جاهزة للانطلاق، إذا جاز التعبير، نحن بحاجة فقط للقيام بذلك.”
