Nghiên cứu mới chứng minh hiệu suất hiệu quả ngay cả trên đất đóng băng ở Alaska

Nghiên cứu lưu trữ năng lượng mới từ NREL, một phòng thí nghiệm quốc gia của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, đã chứng minh một cách lưu trữ và tái sử dụng nhiệt dưới lòng đất để đáp ứng nhu cầu sưởi ấm của các vùng lạnh giá như Alaska.

Được công bố vào ngày 17 tháng 6 trên tạp chí Energy & Buildings , nghiên cứu khả thi này đã xem xét giai đoạn 20 năm trong đó hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt giếng khoan (BTES) – một hệ thống lưu trữ năng lượng sưởi ấm hoặc làm mát dưới lòng đất – có thể cung cấp nhiệt một cách đáng tin cậy cho hai tòa nhà của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ tại Fairbanks, Alaska.

Thông qua mô hình hóa hiệu suất hệ thống và sử dụng năng lượng trong tòa nhà, các nhà nghiên cứu cho thấy nhiệt thải từ một nhà máy điện than gần đó có thể được thu giữ trong những tháng mùa hè, lưu trữ dưới lòng đất và sau đó được sử dụng vào mùa đông để sưởi ấm các tòa nhà thông qua máy bơm nhiệt địa nhiệt (GHP).

Đèo Anaktuvuk, Alaska, vào mùa đông. Ảnh của Molly Rettig, NREL

Phân tích này được dẫn dắt bởi Hyunjun Oh , một kỹ sư nghiên cứu địa nhiệt thuộc nhóm nghiên cứu khoa học và công nghệ năng lượng nhiệt của NREL, phối hợp với các nhà nghiên cứu Conor Dennehy, Saqib Javed và Robbin Garber-Slaght tại Cơ sở Alaska của NREL . Chương trình Nghiên cứu Ứng dụng cho Cộng đồng trong Môi trường Cực đoan của NREL là một sáng kiến phi lợi nhuận, dựa trên ngành công nghiệp, chuyên thúc đẩy hiệu quả năng lượng cực đoan, khoa học xây dựng và nghiên cứu kinh tế xã hội cho các cộng đồng ở Alaska và khu vực Bắc Cực rộng lớn hơn. Dự án cũng hợp tác với Phòng thí nghiệm Nghiên cứu và Kỹ thuật Vùng Lạnh của Quân đoàn Công binh Lục quân Hoa Kỳ.

BTES hoạt động dựa trên một mạng lưới các lỗ khoan hẹp được khoan thẳng đứng dưới lòng đất, được gọi là lỗ khoan, hoạt động như một bộ pin sạc nhiệt. Trong những tháng ấm hơn, nhiệt thải có thể được bơm vào các lỗ khoan, nơi nó được cách nhiệt bởi đất và đá xung quanh cho đến khi cần thiết. Vào mùa đông, các máy bơm tuần hoàn sẽ di chuyển dung dịch nước chống đông qua các lỗ khoan để thu thập nhiệt lượng dự trữ và truyền đến máy bơm nhiệt địa nhiệt của tòa nhà. Thay vì khai thác nhiệt từ không khí lạnh bên ngoài, máy bơm nhiệt sử dụng chất lỏng ấm hơn này để truyền nhiệt hiệu quả vào hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí của tòa nhà.

Các nhà nghiên cứu NREL đã mô hình hóa nhu cầu sưởi ấm và làm mát của các tòa nhà ở vùng khí hậu lạnh bằng phần mềm EnergyPlus và phát hiện ra rằng nhu cầu sưởi ấm hàng năm cao hơn nhu cầu làm mát gấp 5,6 lần – sự mất cân bằng điển hình ở những vùng khí hậu như Alaska, nơi mùa đông dài và lạnh còn mùa hè ngắn và ôn hòa.

Để đáp ứng nhu cầu nhiệt này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế trước một hệ thống gồm 40 lỗ khoan ở độ sâu 91 mét, cách các tòa nhà khoảng 100 mét, phù hợp với các hướng dẫn quy định và tình trạng đất đai sẵn có gần đó. Sau đó, họ mô phỏng hiệu suất 20 năm của hệ thống BTES, chạy mô phỏng cho hai kịch bản: một kịch bản trong đó lớp đất ngầm được làm nóng trước trong năm năm bằng cách phun nước nóng trước khi cung cấp nhiệt cho các tòa nhà và một kịch bản không làm nóng trước.

Trong cả hai trường hợp, các giếng ở trung tâm mỏ khoan tạo ra năng lượng nhiệt nhiều hơn khoảng một phần ba so với các giếng ở rìa ngoài, có thể là do các giếng ngoài bị mất nhiệt vào đất xung quanh. Phát hiện này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách các mỏ khoan có thể được thiết kế và cách nhiệt tốt hơn để phân phối năng lượng cân bằng hơn.

Ngoài ra, các hệ thống được gia nhiệt trước khi sử dụng thường xuyên cho thấy hiệu suất thậm chí còn tốt hơn, với nhiệt độ ngầm cao hơn và sản xuất năng lượng nhiệt lớn hơn trong tám năm hoạt động đầu tiên so với các hệ thống không được gia nhiệt trước.

Nhìn chung, kết quả cho thấy BTES là giải pháp sưởi ấm đáng tin cậy ở những vùng có khí hậu lạnh, giúp cộng đồng thu được nhiệt thải và sử dụng năng lượng hiệu quả hơn.

Ông Oh cho biết, mặc dù đã có nhiều nghiên cứu điển hình xác nhận hiệu suất của GHP ở các vùng lạnh của Châu Âu, nhưng đây là một trong những nghiên cứu đầu tiên cho thấy tiềm năng của GHP kết nối với BTES tại Hoa Kỳ.

“Bài báo này chứng minh rằng ngay cả điều kiện lạnh giá dưới lòng đất—như ở Alaska, nơi 50% đến 90% bề mặt đất là lớp đất đóng băng vĩnh cửu—cũng có thể được sử dụng để sưởi ấm,” Oh nói. “Một hệ thống bơm nhiệt địa nhiệt có thể mang lại hiệu suất cao hơn nếu chúng ta xem xét các hoạt động theo mùa hoặc tích hợp vào hệ thống lưu trữ.”

Nghiên cứu cũng cho thấy lớp địa nhiệt cục bộ ở Fairbanks cũng rất phù hợp cho các loại hệ thống địa nhiệt khác . Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các thử nghiệm phản ứng nhiệt và các tài liệu trước đây để ước tính độ dốc địa nhiệt – tốc độ nhiệt độ tăng theo độ sâu – vào khoảng 27,9 độ C/km.

Ông Oh cho biết, độ dốc này cho phép tiếp cận nhiệt lượng có thể sử dụng được ở độ sâu tương đối nông dưới lòng đất, khiến nó trở thành ứng cử viên cho việc sử dụng trực tiếp hoặc hệ thống năng lượng phân tán trong tương lai.

Vì nghiên cứu này nhằm mục đích đánh giá tính thực tiễn của BTES và GHP tại một địa điểm cụ thể ở Fairbanks, nhóm nghiên cứu khuyến nghị nên phân tích toàn diện trong tương lai, vượt ra ngoài các kịch bản được mô tả ở đây để điều chỉnh tốt hơn các hệ thống năng lượng theo điều kiện địa phương và các nguồn nhiệt thải sẵn có.

Nghiên cứu “Khả thi về mặt kỹ thuật – kinh tế của Hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt giếng khoan kết nối với máy bơm nhiệt địa nhiệt để cung cấp tải nhiệt theo mùa cho hai tòa nhà ở Fairbanks, Alaska” được tài trợ bởi Văn phòng công nghệ địa nhiệt thuộc Bộ năng lượng Hoa Kỳ và Chương trình chứng nhận công nghệ an ninh môi trường thuộc Bộ quốc phòng Hoa Kỳ.

Nguồn: NREL