Геотермальное охлаждение на Гавайях: новый доклад

Гавайские острова, расположенные в зоне геологически недавней вулканической активности с обильным подземным водным потоком, открывают новые перспективы для геотермальных технологий, способных усилить энергосистему.

Университет Гавайев в Маноа, в лице Центра грунтовых вод и геотермальных ресурсов, совместно с учеными из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, участвуя в проекте Energy Technology Innovation Partnership Project (ETIPP) Министерства энергетики США, исследует возможности повышения энергоэффективности зданий с помощью геотермального охлаждения.

Проект ETIPP, управляемый Национальной лабораторией Скалистых гор (NLR), оказывает техническую поддержку удаленным, прибрежным и островным сообществам в разработке надежных и доступных энергетических систем. Участники проекта сами определяют цели и направления своих энергетических инициатив.

В 2022 году Университет Гавайев присоединился к программе, стремясь изучить геотермальные решения. Результатом этого сотрудничества стал новый доклад, детализирующий осуществимость применения мелкозаглубленных геотермальных теплообменников (GHE) для охлаждения на острове Оаху и в конкретном месте на острове.

Принцип работы геотермальных тепловых насосов

Геотермальные тепловые насосы используют относительно стабильные температуры земной поверхности. Геотермальные теплообменники (GHE) циркулируют по системе труб в верхних слоях грунта, перенося тепло из более теплых участков в более холодные, подобно работе холодильника.

«Для производства электроэнергии требуется высокотемпературная геотермия, предполагающая глубокое бурение. Однако низкотемпературная геотермия, такая как GHE, доступная ближе к поверхности земли, может использоваться для отопления и охлаждения зданий, значительно снижая нагрузку на электросеть», — пояснила Кристин Доути, научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

«Я считаю, что оба типа геотермальной энергии могут стать ценным активом для Гавайев», — добавила Николь Лаутце, основатель и директор Центра грунтовых вод и геотермальных ресурсов.

Определение потенциала геотермального охлаждения на Гавайях

В геотермальных системах с открытым циклом бурятся скважины для забора и закачки грунтовых вод, что обеспечивает перемещение тепловой энергии из земли и обратно. Эти GHE используют более холодные подземные воды для процесса охлаждения, а затем возвращают нагретую воду.

В отличие от них, системы GHE с замкнутым циклом непрерывно циркулируют теплоноситель по трубам, передавая тепло земле посредством теплопроводности. Для эффективного охлаждения зданий температура грунтовых вод должна быть достаточно низкой. Поток грунтовых вод в системе GHE способствует отводу накопленного тепла.

На Гавайях потребность в охлаждении значительно превышает потребность в отоплении. Это означает, что GHE могут способствовать нагреву подповерхностного слоя, что потенциально снижает эффективность работы систем. Здесь на помощь приходят грунтовые воды: они замещают нагретую воду в скважинах и поддерживают работоспособность системы GHE. Достаточный поток грунтовых вод является ключевым фактором при развертывании GHE. Размещение GHE может быть ограничено в районах с водосборными ограничениями или при наличии подземного производства пресной воды. В таких случаях системы с замкнутым циклом могут оказаться более подходящим вариантом.

Множество факторов влияет на решение о внедрении GHE. Старые здания часто оснащены неэффективными энергосистемами, а некоторые организации, например школы или государственные учреждения, могут отдавать приоритет более адаптивным системам отопления и охлаждения. Культурные особенности также имеют большое значение, и новый доклад NLR учитывает мнение гавайских сообществ о геотермальной энергии.

Экономические аспекты

Экономические факторы играют существенную роль: затраты на внедрение системы сопоставляются с энергетическими сбережениями для определения общей стоимости. Моделирование показало снижение потребления электроэнергии и теплопередачи, что способствовало экономии средств. Более длительные сроки кредитования могут облегчить расходы на внедрение геотермальных систем.

Исследователи ETIPP учли вышеупомянутые параметры в своем анализе для создания карт благоприятности применения GHE с замкнутым и открытым циклом. Они использовали специфические слои геоинформационных систем с 11 атрибутами, включая высоту, геологию и проницаемость грунта, для разработки общей карты потенциала GHE на Оаху.

В рамках анализа конкретного объекта — центра Стэна Шерифа в Университете Гавайев в Маноа — исследователи применили гидрогеологическую модель для анализа потока грунтовых вод в системе с замкнутым циклом. Ограничения по качеству воды, предписывающие сохранение грунтовых вод в их естественном состоянии, сократили площадь, доступную для развертывания GHE по всему острову, хотя многие прибрежные районы показали высокую благоприятность. Наложение слоев с потенциальными клиентами и ограниченными зонами позволило уточнить карты.

Геотермальный потенциал охлаждения в Университете Гавайев в Маноа

Анализ, охватывающий весь остров, позволил исследователям ETIPP сосредоточиться на центре Стэна Шерифа в Университете Гавайев в Маноа. Это здание с высокой потребностью в охлаждении, расположенное в районе с большим количеством открытого пространства вокруг, стало подходящим кандидатом для детального анализа технологии GHE.

Исследователи использовали гидрогеологическую модель для анализа потенциальной системы с замкнутым циклом на объекте. Они моделировали поток грунтовых вод и тепла, анализировали тепловые потоки под поверхностью и провели технико-экономический анализ.

Анализ без учета потока грунтовых вод показал, что система GHE может нормально функционировать в первый год. Однако затем повышение температуры воды из-за накопления тепла увеличит потребность в чиллерах во второй-шестой годы, без наличия грунтовых вод для отвода тепла.

Моделирование с учетом потока грунтовых вод, при схожих условиях с центром Стэна Шерифа, показало, что тепло будет эффективно отводиться от поля скважин, обеспечивая успешную работу GHE в течение как минимум 10 лет. Таким образом, включение грунтовых вод в анализ и планирование, в сочетании с низкими процентными ставками по кредитам и высокими капиталовложениями, может принести экономические выгоды университету.

Исследование заключило, что холодная морская вода может быть вариантом для систем охлаждения; подобная система уже функционирует в Природной энергетической лаборатории Гавайев. Авторы отчета рекомендовали дальнейшие исследования.

Подобно Гавайям, ETIPP продолжает помогать сообществам исследовать геотермальные и другие технологии для удовлетворения их энергетических потребностей посредством углубленного совместного изучения потенциальных решений.

«Этот проект ETIPP заложил основу для дальнейшего привлечения грантового финансирования для изучения потенциала GHE в кампусе UHM и по всему штату для охлаждения зданий и снижения нагрузки на энергосистему Гавайев», — заявила Лаутце, отметив сильное сотрудничество с LBNL.

*Признаны экстремистскими организациями и запрещены на территории РФ.