فريق صيني يحسّن استراتيجية حقن الهواء في تخزين الطاقة بالهواء المضغوط ويرفع معدل التخزين إلى 87.5%

أخبار ar.wedoany.com، في 28 سبتمبر، أجرى فريق بحثي من جامعة هونان للتقنية دراسة على عملية حقن الهواء في نظام تخزين الطاقة بالهواء المضغوط في الكهوف الجوفية، وذلك من خلال بناء نموذج عددي مقترن لبئر التخزين والكهف، ومحاكاة التغيرات في درجة الحرارة والضغط وفقدان الحرارة في ظل ظروف مختلفة لمعدل تدفق حقن الهواء وقطر البئر والتوصيل الحراري للصخور المحيطة. وأظهرت نتائج الدراسة أنه في ظل نفس الكتلة الإجمالية للهواء المحقون وزمن الحقن البالغ 8 ساعات، يمكن لاستراتيجية الحقن المتزايد خطياً أن ترفع معدل تخزين الطاقة في الكهف من 85.5% عند الحقن بمعدل تدفق ثابت إلى 87.5%. وقد نُشرت النتائج ذات الصلة في مجلة 《Case Studies in Thermal Engineering》.

يراعي النموذج البحثي في الوقت نفسه نقل الهواء داخل البئر، والخصائص الحرارية الفيزيائية الحقيقية للهواء، والجريان المضطرب، والتبادل الحراري المقترن بين الغاز والصلب، وعملية التوصيل الحراري في الصخور المحيطة، وقد جرى التحقق من صحته باستخدام بيانات التشغيل الفعلية لمحطة تخزين الطاقة بالهواء المضغوط في هونتورف الألمانية. وقد اختُصر كهف تخزين الغاز في هونتورف في النموذج إلى أسطوانة نصف قطرها 20 متراً وارتفاعها 112.2 متراً، وبالمقارنة مع البيانات المقاسة، بلغ الحد الأقصى لانحراف درجة الحرارة 2.66 كلفن، والحد الأقصى لانحراف الضغط 0.30 ميغاباسكال.

في المحاكاة اللاحقة للمعاملات، حدد الفريق البحثي كهفاً كروياً لتخزين الغاز نصف قطره 40 متراً وحجمه 268 ألف متر مكعب، متصلاً ببئر طوله 30 متراً. وقارنت الدراسة أربعة أنماط لحقن الهواء، تشمل: زيادة معدل التدفق خطياً من 10 كغ/ث إلى 150 كغ/ث، والحقن المرحلي بمعدل 110 كغ/ث خلال الساعات الخمس الأولى ثم 30 كغ/ث خلال الساعات الثلاث الأخيرة، والحقن التدريجي المتزايد مع فترات توقف، والحقن بمعدل ثابت 80 كغ/ث. وقد تم توحيد الكتلة الإجمالية للهواء المحقون خلال 8 ساعات في الأنماط الأربعة.

أظهرت نتائج المحاكاة أنه بالمقارنة مع نمط التدفق الثابت، أدى الحقن المتزايد خطياً إلى رفع متوسط درجة حرارة الهواء في الكهف بنحو 1 كلفن، ومتوسط الضغط بنحو 0.13 ميغاباسكال، كما زاد الشغل المكتسب من الهواء المضغوط بنحو 12.7%، في حين زادت الحرارة المنقولة من جدار الكهف إلى الصخور المحيطة بنحو 11%. وفي ظل هذه الظروف، ارتفع معدل تخزين الطاقة النهائي بمقدار نقطتين مئويتين. كما اختبرت الدراسة أربعة أقطار للبئر هي 0.5 متر و1 متر و1.5 متر و2 متر، وعند زيادة قطر البئر من 0.5 متر إلى 2 متر، انخفض فقدان الحرارة عبر جدار البئر من 8.5×10^8 جول إلى 2.5×10^8 جول، وارتفع متوسط درجة حرارة الهواء الداخل إلى الكهف بنحو 1 كلفن.

كما شملت المحاكاة الخصائص الحرارية الفيزيائية للصخور المحيطة. واستخدم الفريق في الحسابات قيم التوصيل الحراري للبازلت 2.17 واط/(م·كلفن)، والغرانيت 2.90 واط/(م·كلفن)، والكوارتزيت 5.53 واط/(م·كلفن). وعند تغيير الصخور المحيطة من البازلت إلى الكوارتزيت، زاد فقدان الحرارة بالتوصيل بنحو 7%. ووجدت الدراسة أيضاً أنه إذا جرى تبسيط جدار الكهف كحالة معزولة حرارياً، فسيتم المبالغة في تقدير متوسط درجة الحرارة والضغط عند نهاية الحقن بمقدار 1.7 كلفن و0.05 ميغاباسكال على التوالي؛ وعند نهاية التفريغ، تتسع قيم المبالغة المقابلة إلى 2.2 كلفن و0.06 ميغاباسكال.

تناولت هذه الدراسة أداء تخزين الطاقة خلال مرحلة حقن الهواء في كهوف تخزين الغاز الجوفية، وجاءت نتائجها من المحاكاة العددية، ولم تُدرج كفاءة المعدات السطحية مثل الضواغط والموسعات في مؤشري معدل تخزين الطاقة البالغين 85.5% و87.5%. وقد أنجز الفريق البحثي في هذه الدراسة بشكل رئيسي مقارنة ثلاث مجموعات من المعاملات هي نمط حقن الهواء وأبعاد البئر والتوصيل الحراري للصخور المحيطة، كما تحقق من نتائج حساب النموذج لدرجة الحرارة والضغط باستخدام بيانات التشغيل الفعلية في هونتورف.