تخزين الطاقة الحرارية تحت الأرض يوفّر التدفئة في المناطق شديدة البرودة (تقرير)

يمكن لتخزين الطاقة الحرارية تحت الأرض وإعادة استعمالها أن يوفّر التدفئة في المناطق شديدة البرودة، ويُسهم ذلك في خفض الانبعاثات وخفض التكاليف.

وبحسب متابعة منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن) لتحديثات القطاع، أظهر بحث جديد في مجال تخزين الطاقة من المختبر الوطني للطاقة المتجددة، وهو مختبر وطني تابع لوزارة الطاقة الأميركية، طريقةً لتخزين الحرارة وإعادة استعمالها تحت الأرض لتلبية احتياجات التدفئة في المناطق الباردة مثل ألاسكا.

ونُشرت دراسة الجدوى في 17 يونيو/حزيران الماضي في مجلة "إنرجي آند بيلدينغز"، وتناولت مدة بلغت 20 عامًا، مكّن خلالها نظام تخزين الطاقة الحرارية للآبار الجوفية (BTES)، وهو نظام يخزّن طاقة التدفئة أو التبريد تحت الأرض.

ووفّر هذا النظام التدفئة بصفة موثوقة لمبنيَيْن تابعَيْن لوزارة الدفاع الأميركية في مدينة فيربانكس بولاية ألاسكا.

نماذج استعمال الطاقة في المباني

من خلال نماذج استعمال الطاقة في المباني وأداء النظام، يُظهر الباحثون طريقة تجميع الحرارة المُهدرة من محطة فحم قريبة خلال أشهر الصيف، وتخزينها تحت الأرض، جرى الاستفادة منها في الشتاء لتدفئة المباني عبر مضخات الحرارة الجوفية (GHPs).

وأشرف على هذا التحليل مهندس أبحاث الطاقة الحرارية الأرضية في مجموعة أبحاث علوم وتقنيات الطاقة الحرارية التابعة للمختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL)، هيونجون أوه، بالتعاون مع الباحثين كونور دينيهي، وثاقب جاويد، وروبن غاربر-سلات في فرع ألاسكا التابع للمختبر.

ويُعد برنامج الأبحاث التطبيقية للمجتمعات في البيئات القاسية التابع للمختبر الوطني للطاقة المتجددة مبادرة غير ربحية قائمة على الصناعة، مُكرسة للنهوض بكفاءة الطاقة القصوى، وعلوم البناء، والبحوث الاجتماعية والاقتصادية للمجتمعات في ولاية ألاسكا ومنطقة الشمال القطبي الشمالي الأوسع.

ونُفذ المشروع بالشراكة مع مختبر أبحاث وهندسة المناطق الباردة التابع لهيئة مهندسي الجيش الأميركي.

نظام تخزين الطاقة الحرارية للآبار الجوفية

يعتمد نظام تخزين الطاقة الحرارية للآبار الجوفية على شبكة من الآبار الضيقة المحفورة عموديًا تحت الأرض، تُعرف باسم الآبار الجوفية، التي تعمل بصفتها بطارية قابلة لإعادة الشحن للتدفئة، وفق تحديثات القطاع لدى منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن).

وخلال الأشهر الأكثر دفئًا، يمكن ضخ الحرارة المُهدرة إلى الآبار الجوفية، حيث تُعزل بالتربة والصخور المحيطة حتى الحاجة إليها.

وفي الشتاء، تُحرك المضخات الدائرية محلولًا مضادًا للتجمد المائي عبر الآبار الجوفية؛ لالتقاط الحرارة المُخزنة وتوصيلها إلى المضخة الحرارية الجوفية للمبنى.

وبدلًا من استخلاص الحرارة من الهواء الخارجي البارد، تستعمل مضخة الحرارة هذا السائل الدافئ لنقل الحرارة بكفاءة إلى نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء في المبنى.

احتياجات التدفئة والتبريد للمباني ذات المناخ البارد

وضع باحثو المختبر الوطني للطاقة المتجددة نماذج احتياجات التدفئة والتبريد للمباني ذات المناخ البارد باستعمال برنامج "إنرجي بلس" EnergyPlus.

ووجدوا أن الطلب السنوي على التدفئة كان أعلى بـ5.6 مرة من الطلب على التبريد، وهو اختلال شائع في مناخات مثل ألاسكا، حيث يكون الشتاء طويلًا وباردًا والصيف قصيرًا ومعتدلًا.

ولتلبية هذا العبء الحراري، صمّم الفريق مسبقًا نظامًا مكونًا من 40 بئرًا بعمق 91 مترًا، على بُعد نحو 100 متر من المباني، بما يتوافق مع الإرشادات التنظيمية وتوافر الأراضي القريبة.

ثم وضعوا نماذج أداء نظام تخزين الطاقة الحرارية للآبار الجوفية على مدار 20 عامًا، بإجراء محاكاة لسيناريوهَيْن: الأول يتضمن تسخين باطن الأرض مسبقًا لمدة 5 سنوات باستعمال حقن الماء الساخن قبل إمداد المباني بالحرارة، والآخر دون تسخين مسبق.

في كلا السيناريوهَيْن، أنتجت الآبار في مركز الحقل طاقة حرارية أكثر بنحو الثلث من تلك الموجودة على الحواف الخارجية، ويرجع ذلك على الأرجح إلى فقدان الآبار الخارجية الحرارة في التربة المحيطة. ويُقدم هذا الاكتشاف رؤية ثاقبة بشأن طريقة تصميم حقول الآبار وعزلها بصورة أفضل لتحقيق توزيع طاقة أكثر توازنًا.

من ناحية ثانية، أظهرت الأنظمة التي خضعت للتسخين المسبق قبل الاستعمال المنتظم أداءً أفضل، مع ارتفاع درجات الحرارة الجوفية وزيادة إنتاج الطاقة الحرارية خلال السنوات الـ8 الأولى من التشغيل مقارنةً بالأنظمة التي لم تخضع للتسخين المسبق.

وتشير النتائج إلى أن نظام تخزين الطاقة الحرارية للآبار الجوفية هو حل موثوق للتدفئة في المناخات الباردة، ما يساعد المجتمعات على التقاط الحرارة المهدرة واستعمال الطاقة بكفاءة أكبر.

وتُعد هذه الدراسة من أوائل الدراسات التي تُظهر إمكانات أنظمة مضخات الحرارة الجوفية المتصلة بنظام تخزين الطاقة الحرارية للآبار الجوفية في الولايات المتحدة.

موضوعات متعلقة..

• استثمارات الطاقة الحرارية الأرضية في أميركا الشمالية تلامس ملياري دولار
• أكبر 10 دول في قدرة الطاقة الحرارية الأرضية قيد التشغيل
• 5 أسئلة حول تقنيات الطاقة الحرارية الأرضية الجديدة (تقرير)

اقرأ أيضًا..

• متى اكتُشف النفط في إيران؟ أنس الحجي يكشف عن دور مهم لـ"تشرشل"
• وكالة الطاقة الدولية تخفّض توقعات الطلب على النفط في 2025 و2026
• دراسة لزيادة قدرات الربط الكهربائي بين الأردن وسوريا إلى 300 ميغاواط

المصدر:

"يمكن لتخزين الطاقة الحرارية الأرضية والآبار الجوفية تدفئة المباني بصفة موثوقة في البرد القارس - نتائج نماذج المختبر الوطني للطاقة المتجددة"، من منصة كلين تكنيكا