ما هي الطاقة الحرارية الأرضية وأنظمة تكييف الهواء والمستقبل

من المؤكد أنك تعرف ما هي الطاقة الحرارية الأرضية بشكل عام ، لكن هل تعرف كل الأساسيات حول هذه الطاقة؟

بشكل عام للغاية نقول أن الطاقة الحرارية الأرضية هي الطاقة الحرارية من داخل الأرض.

بمعنى آخر ، الطاقة الحرارية الأرضية هي مصدر الطاقة المتجددة الوحيد الذي لا يُشتق من الشمس.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكننا القول أن هذه الطاقة ليست طاقة متجددة على هذا النحو ، منذ ذلك الحين تجديده ليس لانهائي، ومع ذلك لا ينضب على المستوى البشريلذلك تعتبر قابلة للتجديد لأغراض عملية.

أصل الحرارة داخل الأرض

السبب الرئيسي للحرارة داخل الأرض هو التحلل المستمر لبعض العناصر المشعة مثل اليورانيوم 238 والثوريوم 232 والبوتاسيوم 40.

آخر من أصول الطاقة الحرارية الجوفية هي تصادم الصفائح التكتونية.

ومع ذلك ، في مناطق معينة ، تكون الحرارة الجوفية أكثر تركيزًا ، كما يحدث في المناطق المجاورة البراكين وتيارات الصهارة والينابيع الساخنة.

استخدام الطاقة الحرارية الجوفية

تم استخدام هذه الطاقة منذ 2.000 عام على الأقل.

استخدم الرومان الينابيع الساخنة ل مراحيض ومؤخراً ، تم استخدام هذه الطاقة في تدفئة المباني والصوبات وتوليد الكهرباء.

يوجد حاليًا 3 أنواع من الرواسب يمكننا من خلالها الحصول على الطاقة الحرارية الأرضية:

• خزانات درجة حرارة عالية
• خزانات درجة حرارة منخفضة
• خزانات الصخور الجافة الساخنة

خزانات درجة حرارة عالية

نقول أن هناك وديعة ارتفاع درجة الحرارة عندما يصل ماء الخزان درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية لوجود مصدر حراري نشط.

من أجل أن تولد الحرارة الجوفية طاقة حرارية أرضية قابلة للاستخدام ، يجب أن تتيح الظروف الجيولوجية تكوين أ الخزان الجيوحراري، على غرار تلك الموجودة في النفط أو الغاز الطبيعي ، وتتكون من أ صخور نفاذة ، أحجار رملية أو الحجر الجيري على سبيل المثال ، تعلوه طبقة مقاومة للماءمثل الطين.

تمر المياه الجوفية التي يتم تسخينها بواسطة الصخور في اتجاه تصاعدي إلى الخزان ، حيث يظلون محاصرين تحت الطبقة غير المنفذة.

عندما هناك شقوق في الطبقة غير المنفذة المذكورة ، يكون هروب البخار أو الماء إلى السطح ممكنًا ، تظهر في شكل ينابيع حارة أو ينابيع ماء حار.

تم استخدام هذه الينابيع الساخنة منذ العصور القديمة ويمكن استخدامها بسهولة للتدفئة والعمليات الصناعية.

خزانات درجة حرارة منخفضة

الخزانات ذات درجة الحرارة المنخفضة هي تلك التي فيها درجة حرارة الماء، الذي سنستخدمه ، يقع بين 60 و 100 درجة مئوية.

في هذه الودائع ، قيمة التدفق الحراري هي القيمة الطبيعية لقشرة الأرضلذلك فإن وجود شرطين من الشروط السابقة غير ضروري: وجود مصدر حرارة نشط وعزل مخزن السوائل.

فقط وجود مستودع على العمق المناسب بحيث ، مع التدرج الحراري الأرضي الحالي في المنطقة المذكورة ، هناك درجات حرارة تجعل استغلالها اقتصاديًا.

خزانات الصخور الجافة الساخنة

القدرة من الطاقة الحرارية الجوفية es mucho أكبر إذا تم استخراج الحرارة من الصخور الجافة الساخنةالتي لا تحتوي على الماء بشكل طبيعي.

هم في تتراوح درجة الحرارة بين 250 و 300 درجة مئوية بالفعل واحد العمق بين 2.000 و 3.000 متر.

لاستغلالها من الضروري كسر الصخور الجافة الساخنة ، ل اجعلها مسامية.

ثم يتم إدخال الماء البارد من السطح عبر أنبوب ، مما يسمح لها بالمرور عبر الصخور الساخنة المكسورة ، بحيث ترتفع درجة حرارتها ثم ، يتم استخراج بخار الماء من خلال أنبوب آخر لاستخدام ضغطه لتشغيل التوربينات و توليد الطاقة الكهربائية.

مشكلة هذا النوع من الاستغلال هي تقنيات تكسير الصخور في هذا العمق والحفر.

على الرغم من إحراز تقدم كبير في هذه المجالات باستخدام تقنيات التنقيب عن النفط.

طاقة حرارية أرضية منخفضة الحرارة

يمكننا النظر في باطن الأرض لأعماق صغيرة مثل أ مصدر حرارة عند 15 درجة مئوية، متجددة بالكامل ولا تنضب.

عن طريق نظام التقاط مناسب ومضخة حرارية ، يمكن نقل الحرارة من هذا المصدر عند 15 درجة مئوية إلى نظام تصل درجة حرارته إلى 50 درجة مئوية ، ويمكن استخدام هذا الأخير للتدفئة والحصول على الماء الساخن الصحي لاستخدامه في المنزل.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للمضخة الحرارية نفسها امتصاص الحرارة من البيئة عند 40 درجة مئوية وتسليمها إلى باطن الأرض بنفس نظام الالتقاطلذلك ، يمكن للنظام الذي يمكنه حل التدفئة المنزلية أن يحل مشكلة التبريد ، أي أن المنزل يحتوي على تركيب واحد لتكييف الهواء المتكامل.

العيب الرئيسي لهذا النوع من الطاقة هو تحتاج إلى سطح دفن كبير جدًا للدائرة الخارجيةومع ذلك ، فإن ميزته الرئيسية هي pإمكانية استخدامه كنظام تدفئة وتبريد بتكلفة منخفضة للغاية.

في الرسم البياني التالي يمكنك أن ترى طرقًا مختلفة لالتقاط أو نقل الحرارة إلى الأرض لاستخدامها لاحقًا في التدفئة والتبريد والحصول على DHW (الماء الساخن الصحي). سأشرح الإجراء أدناه.

تكييف منزل ، كتلة من الشقق ، مستشفى ، إلخ. يمكن الوصول إليها بشكل فرديلأنه لا يتطلب استثمارات كبيرة للنظام ، على عكس منشآت الطاقة الحرارية الجوفية ذات درجات الحرارة العالية والمتوسطة.

يعتمد هذا النظام لتسخير الطاقة الشمسية التي يمتصها سطح الأرض على 3 عناصر رئيسية:

1. مضخة الحرارة
2. تبادل الدائرة مع الأرض
   1. التبادل الحراري مع المياه السطحية
   2. تبادل مع الأرض
3. دائرة الصرف مع المنزل

مضخة الحرارة

المضخة الحرارية هي آلة ديناميكية حرارية الذي يعتمد على دورة كارنو التي يؤديها الغاز.

تمتص هذه الآلة الحرارة من مصدر واحد لتوصيلها إلى آخر بدرجة حرارة أعلى.

المثال الأكثر شيوعًا هو الثلاجاتهذه لديها آلة تستخرج الحرارة من الداخل وتطردها إلى الخارج ، وهو في درجة حرارة أعلى.

ومن الأمثلة الأخرى لمضخات الحرارة مكيفات الهواء ومكيفات الهواء للمنازل والسيارات.

في هذا التخطيطي ، يمكنك أن ترى أن ملف تمتص اللمبة الباردة الحرارة من الأرض في التبادل والسائل الذي يدور عبر دائرة المصباح البارد يمتص الحرارة حتى يتبخر.

تبرد الدائرة التي تحمل الماء بالحرارة من الأرض وتعود إلى الأرض ، استعادة درجة حرارة التربة سريعة جدًا.

من ناحية أخرى ، تعمل اللمبة الساخنة داخل المنزل على تسخين الهواء مما يمنحه الحرارة.

تقوم المضخة الحرارية "بضخ" الحرارة من اللمبة الباردة إلى اللمبة الساخنة.

الأداء (الطاقة الموردة / الطاقة الممتصة) يعتمد ذلك على درجة حرارة المصدر الذي يزود الحرارة المتبخرة.

أنظمة تكييف الهواء التقليدية تمتص الحرارة من الغلاف الجوي ، والتي يمكن أن تصل في الشتاء درجة الحرارةق أدناه -2 درجة مئوية.

في درجات الحرارة هذه ، لا يمكن للمبخر التقاط أي حرارة و أداء المضخة منخفض جدًا.

في الصيف عندما يكون الجو أكثر سخونة ، يجب أن تتخلى المضخة عن الحرارة من الغلاف الجوي الذي قد يكون فيه 40 درجة مئوية ، مع ما الأداء ليس جيدًا كما قد تتوقع.

ومع ذلك، نظام مستجمعات المياه الحرارية الأرضية، من خلال الحصول على مصدر درجة حرارة ثابتة ، والأداء دائمًا هو الأمثل بغض النظر عن ظروف درجة حرارة الغلاف الجوي. لذا فإن هذا النظام أكثر كفاءة من المضخات الحرارية التقليدية.

تبادل الدوائر مع الأرض

التبادل الحراري مع المياه السطحية

يعتمد هذا النظام على ضع الماء في اتصال حراري قادمة من مصدر سطحي مع المبخر / المكثف ، حسب الحاجة ، لامتصاص أو نقل الحرارة إلى المياه المذكورة.

ميزة: ويعرض هو أنه يحتوي على ملف منخفضة التكلفة

عائق:  لا يوجد دائمًا مصدر للمياه متاح.

تبادل مع الأرض

هذا يمكن أن تكون مباشرة عندما يتم التبادل بين الأرض والمبخر / مكثف المضخة الحرارية عن طريق أنبوب نحاسي مدفون.

بالنسبة للمنزل ، قد يتطلب الأمر ما بين 100 و 150 مترًا من الأنابيب.

• ميزة: التكلفة المنخفضة والبساطة والأداء الجيد.
• السلبيات: احتمالية حدوث تسربات غازية وتجميد مناطق من الارض.

او ايضا يمكن أن تكون دائرة مساعدة عندما تحتوي على مجموعة من الأنابيب المدفونة ، يتم من خلالها تدوير المياه ، والتي بدورها تتبادل الحرارة مع المبخر / المكثف.

بالنسبة للمنزل ، قد يتطلب الأمر ما بين 100 و 200 مترًا من الأنابيب.

• ميزة: ضغط منخفض في الدائرة ، وبالتالي تجنب الاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة
• السلبيات: التكلفة العالية.

دوائر التبادل مع المنزل

هذه الدوائر يمكن أن يكون مع تبادل مباشر أو مع توزيع الماء الساخن والبارد.

التبادل المباشر يعتمد على تدوير تيار الهواء على سطح المبخر / المكثف على جانب المنزل لتبادل الحرارة وتوزيع هذا الهواء الساخن / البارد في جميع أنحاء المنزل ، من خلال الأنابيب المعزولة حرارياً.

مع نظام توزيع واحد ، يتم حل توزيع الماء الساخن والبارد في المنزل.

• ميزة: عادة ما تكون منخفضة التكلفة وبسيطة للغاية.
• السلبيات: أداء منخفض وراحة معتدلة ولا ينطبق إلا على المنازل المبنية حديثًا أو التي تحتوي على نظام تدفئة حراري.

نظام توزيع الماء الساخن والبارد يعتمد على تدوير تدفق الماء على سطح المبخر / المكثف على جانب المنزل للتبادل الحراري.

وعادة ما يتم تبريد المياه إلى 10 درجة مئوية في الصيف وتسخينها إلى 45 درجة مئوية في الشتاء لاستخدامها كوسيلة لتكييف الهواء.

التدفئة تحت الأرضية هي الطريقة الأفضل أداءً والأكثر راحة لحل التسخين ، ومع ذلك ، لا يمكن استخدامه للتبريد ، لذلك إذا تم استخدام هذه الطريقة أو طريقة مشعات الماء الساخن ، فسيتعين تركيب نظام آخر حتى يتمكن من استخدام التبريد.

• ميزة: راحة وأداء عاليان للغاية.
• السلبيات: التكلفة العالية.

أداء أنظمة تكييف الهواء

كفاءة الطاقة لنظام تكييف الهواء يستخدم كمصدر للحرارة التربة التحتية عند 15 درجة مئوية على الأقل من 400٪ في التدفئة و 500٪ في التبريد.

عندما تسخن لا يوجد سوى مساهمة من الطاقة الكهربائية بنسبة 25٪ من إجمالي الطاقة المطلوبة. وعندما يتم استخدامه للتبريد يكون الأداء أكثر من ضعف أداء المضخة الحرارية التي تتبادل الهواء مع الهواء عند 40 درجة ، لذلك في هذه الحالة يوجد أيضًا توفير في الطاقة بنسبة تزيد عن 50٪ مقارنة بمكيفات الهواء التقليدية.

هذا يعني أنه لضخ 4 وحدات من الطاقة من القطب البارد إلى القطب الساخن (على سبيل المثال 4 سعرات حرارية) ، هناك حاجة إلى وحدة واحدة فقط من الطاقة.

في التبريد ، لكل 5 وحدات يتم ضخها ، هناك حاجة إلى وحدة واحدة لضخها.

هذا ممكن منذ ذلك الحين لا يولد كل الحرارةلكن يتم نقل معظمها فقط من مصدر إلى آخر.

تكون وحدات الطاقة التي نوفرها للمضخة الحرارية في شكل طاقة كهربائية ، لذلك فنحن في الأساس ننتج ثاني أكسيد الكربون في مصنع إنتاج الطاقة الكهربائية ، وإن كان بكميات أقل بكثير.

ومع ذلك، يمكننا استخدام مضخات حرارية غير كهربائيةلكن مصدر طاقتها كان شمسيًا حراريًا لكنها لا تزال في طور التجربة.

Si نقارن هذا النظام مع نظام تسخين التقاط الطاقة الشمسية من خلال اللوحات يمكننا رؤية ذلك يقدم ميزة كبيرةكما لا يتطلب بطاريات كبيرة لتعويض ساعات نقص الإشعاع الشمسي.

المُجمِّع الأكبر هو كتلة الأرض مما يجعلنا نملك مصدر طاقة عند درجة حرارة ثابتة ، والتي في نطاق هذا التطبيق تتصرف على أنها لانهائية

ومع ذلك ، الشخص الذي يفعل أفضل خيار لاستخدام مصدر الطاقة هذا هو الجمع بينه وبين الطاقة الحرارية الشمسية.، ليس لتحريك المضخة الحرارية كما هو مذكور أعلاه (والذي أيضًا) ولكن لإضافة الحرارة إلى النظام، بالنظر إلى أنه في تطبيقات التدفئة وإنتاج الماء الساخن المنزلي ، يمكن أن تصل درجة حرارة المياه إلى 15 درجة مئوية باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية لوقت لاحق، رفع درجة حرارة المياه بالطاقة الشمسية.

في هذه الحالة تزداد كفاءة المضخة الحرارية بشكل كبير.

توزيع الطاقة الحرارية الجوفية

الطاقة الحرارية الأرضية منتشرة في جميع أنحاء الكوكب، وخاصة في شكل الصخور الجافة الساخنة ، ولكن هناك مناطق يمتد فيها ربما أكثر من 10٪ من سطح الكوكب ولديهم شروط خاصة لتطوير هذا النوع من الطاقة.

أعني ال المناطق بحيث أكثر وضوحا آثار الزلازل والبراكين وهذا ، بشكل عام ، يتزامن مع أخطاء التكتونية أهمية.

من بينها:

• ساحل المحيط الهادئ للقارة الأمريكية ، من ألاسكا إلى تشيلي.
• غرب المحيط الهادئ ، من نيوزيلندا ، عبر الفلبين وإندونيسيا ، إلى جنوب الصين واليابان.
• وادي تفكك كينيا وأوغندا وزائير وإثيوبيا.
• محيط البحر الأبيض المتوسط.

مزايا وعيوب الطاقة الحرارية الجوفية

هذه الطاقة ، مثل كل شيء موجود ، لها أجزائها الجيدة وكذلك أجزائها السيئة.

كومو ميزة يمكننا القول بأنه:

• وجدت موزعة في جميع أنحاء الكوكب.
• توجد مصادر الطاقة الحرارية الأرضية الأكثر اقتصادا في المناطق البركانية تقع في الغالب في البلدان النامية ، والتي يمكن أن تكون للغاية مفيد لتحسين وضعك.
• هل مصدر طاقة لا ينضب على المستوى البشري.
• هي الطاقة أرخص هذا معروف.

هم عيوب على العكس هم:

• يقدم استخدام الطاقة الحرارية الأرضية بعضًا مشاكل بيئية، على وجه الخصوص ، و إطلاق الغازات الكبريتية في الغلاف الجوي ، جنبًا إلى جنب مع تصريف المياه الساخنة في الأنهار، والتي غالبًا ما تحتوي على نسبة عالية من المواد الصلبة.

على الرغم من أنه بشكل عام ، يمكن إعادة حقن المياه العادمة في الأرض ، بعد استخراج ، في بعض الحالات ، أملاح البوتاسيوم الصالحة للاستخدام التجاري.

• بشكل عام، لا يمكن نقل الحرارة الجوفية لمسافات طويلة. يجب استخدام الماء الساخن أو البخار بالقرب من مصدره قبل أن يبرد.
• تم العثور على معظم المياه الجوفية درجات حرارة أقل من 150 درجة مئوية بشكل عام ، ليس الجو حارًا بدرجة كافية لتوليد الكهرباء.

لا يمكن استخدام هذه المياه إلا للاستحمام وتدفئة المباني والصوبات الزراعية والمحاصيل الخارجية ، أو كمياه مسخنة للغلايات.

• الكثير خزانات الصخور الجافة الساخنة قصيرة العمرعندما تبرد الأسطح المتشققة بسرعة ، تنخفض كفاءة الطاقة فيها بسرعة.
• الكثير تكاليف التركيب مرتفعة للغاية.

مستقبل الطاقة الحرارية الجوفية

حتى الآن ، فقط الثقوب و تستخرج الحرارة إلى أعماق حوالي 3 كم، على الرغم من أنه من المتوقع أن يكون قادرًا على الوصول إلى أعماق أكبر ، يمكن من خلالها استخدام الطاقة الحرارية الأرضية على نطاق أوسع.

إجمالي الطاقة المتاحةفي طريق الماء الساخن أو البخار أو الصخور الساخنة حتى عمق 10 كم ، يقترب 3.10¹⁷ فاز. 30 مليون ضعف الاستهلاك العالمي الحالي للطاقة. مما يدل على ذلك يمكن أن تكون الطاقة الحرارية الأرضية بديلاً مثيرًا للاهتمام على المدى القصير.

إن التقنيات المتقنة لتطوير موارد الطاقة الحرارية الأرضية تشبه إلى حد بعيد تلك المستخدمة في قطاع النفط. لكن منذ محتوى الطاقة في الماء عند 300 درجة مئوية أقل ألف مرة من محتوى النفط، رأس المال يمكن استثماره اقتصاديًا في التنقيب والحفر أقل بكثير.

ومع ذلك ، قد يؤدي نقص النفط إلى زيادة استخدام الطاقة الحرارية الأرضية.

من ناحية أخرى ، كان من الممكن دائمًا استخدام مصادر الطاقة الحرارية الأرضية لتوليد الكهرباء في مولدات توربينية متوسطة الحجم (10-100 ميجاواط) تقع بالقرب من مواقع الآبار ، لكن أدنى درجة حرارة جوفية صالحة للاستعمال لتوليد الكهرباء كانت 150 درجة مئوية.

مؤخرا تم تطوير التوربينات الخالية من الشفرات للمياه الجوفية والبخار حتى 100 درجة مئوية فقط مما يسمح بتوسيع مجال استخدام هذه الطاقة.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدامها في العمليات الصناعية مثل معالجة المعادن ، وتسخين العمليات الصناعية بجميع أنواعها ، وتسخين الصوبات الزراعية ، وما إلى ذلك.

لكن على الأرجح يكمن أعظم مستقبل للطاقة الحرارية الأرضية في استخدام الطاقة الحرارية الجوفية ذات درجات الحرارة المنخفضة للغايةبسبب تنوعها وبساطتها وانخفاض تكلفتها الاقتصادية والبيئية وإمكانية استخدمه كنظام تدفئة وتبريد.