网络工具在地下寻找经济上可行的可再生能源

地热能作为一种不依赖阳光或风的可再生能源有着很大的前景，但它在广泛采用方面面临一些挑战。这些挑战之一是，美国自然具备适当条件的地点数量有限：热岩相对靠近地表，并且有丰富的地下水可供加热。

闭环地热是一种利用干热岩石加热循环流体来发电或直接为建筑物供暖的方法，这种方法在20世纪80年代因效率太低而被驳回后，目前正在重新审视。由多个国家实验室的专家组成的团队最近完成了为期两年的闭环地热系统计算模型工作。

桑迪亚国家实验室机械工程师兼该项目首席研究员马里奥·马丁内斯(MarioMartinez)表示，闭环地热的关键挑战之一是建立一个能够从地球深处提取足够热量的系统，并且具有成本效益。

最近退休的马丁内斯说：“越深入地下，岩石就会变得越热，因此深入地下是有益的。”“这些热水可用于区域供暖，因此您可以用它来为房屋和建筑物供暖，也可以用它来发电。”

桑迪亚领导了地下系统的计算建模，而国家可再生能源实验室则利用数值结果通过地上发电厂和经济模型来估计系统的经济可行性。整个项目由太平洋西北国家实验室和机械工程师马克·怀特领导。

PNNL数据科学家AnastasiaBernat将桑迪亚和NREL模型集成到公开可用的网络工具中，使初创开发商和风险投资家能够探索各种闭环地热系统设计的经济可行性。

爱达荷国家实验室共享实验室原型地热系统的变量，并研究了闭环地热系统的各种可能的增强功能，以提高其经济可行性。

研究人员最近在《地热学》杂志上发表了一篇论文，分享了他们的研究结果。

探测有效参数

桑迪亚团队研究了闭环地热系统的两种基本设置。马丁内斯说，其中一种称为U型管，冷水从一根深垂直管道中泵入，然后在岩石较热的深度水平延伸一定距离，然后在不同的位置上升。

另一种称为管中管，是将冷水沿着管道外层抽到一定深度，然后管道转90度，并在该深度处延伸一段水平距离。深度。然后热水到达管道末端并被推入内管，回到原来的方向。

桑迪亚团队研究了从0.6英里到略多于3英里的深度，以及在该深度从0.6英里到近12.5英里的行驶距离。马丁内斯说，他们研究了几个不同的因素，其中一个是是否循环水或超临界二氧化碳，超临界二氧化碳是一种在如此大的压力下表现得更像液体并且可以吸收更多热量的气体。

他们还观察了流下井的流体的温度以及流体被抽下的速度。他们研究的其他参数包括岩石随深度加热的速度、岩石将热量传递给管道中循环流体的能力以及管道直径有多大。

开发Sierra代码并参与该项目的桑迪亚计算机科学家YaroVasyliv表示，桑迪亚团队使用了名为Sierra的工程力学模拟软件包和参数分析软件Dakota来查看所有不同的参数。

“我们改变了七个参数并计算了相应的出口温度和压力，”瓦西利夫说。“你可以将其输入到地上模型中，该模型可以计算平均供热成本和平均电力成本，这就是NREL所做的工作。”

简化模型模拟数十个系统

马丁内斯说，使用简化的数值模型而不是完整的3D表示，并在桑迪亚的高性能计算集群上运行计算，使研究人员能够对数百万组参数进行建模。

“这项工作的新颖之处在于，我们可以分析这两种流体和这两种设计(U型管和管中管)的多种不同情况、多种不同参数，”他说。

桑迪亚研究人员还在可渗透岩石和地下水中建立了更耗时的地热系统模型，其中额外的对流热传递将产生更快速、更持续的热量从岩石到循环流体的传递。他们发现，这种增加的传热还提高了闭环地热系统的经济可行性。

马丁内斯说：“潮湿的岩石更好，而且可以好得多，但自然具备这些条件的地方并不多。”

桑迪亚研究人员研究了该系统的几种可能的增强功能，例如在井上涂上高导热水泥。马丁内斯说，他们发现将管道做得更大会更好。马丁内斯说，他们还发现，只需将工具中的水平范围设置为所有腿的总范围，他们的模型就可以近似多管脚或“蜘蛛”地热配置的效率。

“我们提出了一个问题，‘要达到美国能源部2035年强化地热系统电力成本平准化目标所需的钻井成本是多少?’”Vasyliv说。“这个目标是每兆瓦时45美元。我们发现，要在炎热干燥的岩石中使用闭环系统来实现这一目标，需要大幅降低钻井成本。”

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