氣泡如何解鎖地球的隱藏能量

想像一下，一個發電站，加油的熱量在腳下深處產生，無視天氣或陽光的日夜可再生能量。先進的地熱系統（例如）保證，在地面的內部熱量在地面的任何地方都以高達15公里的高度進入地面的內部熱量，溫度超過400°C（752°F）。但是存在一個問題：當普通泵完全失敗時，我們如何可靠地從這些極端介質中泵送地熱液體？

作為專注於創新能源技術的工程師，我過去幾年來尋找更簡單，聰明的方法來使用地熱能。最近，我們的團隊發現了一個受石油行業啟發的有趣答案：一種天然氣增長技術。

為什麼地熱液體的提取如此困難

我們正在尋找的地熱流體在一個嚴重的熱量和高壓條件下，在骨折的框架中，位於裂縫框架的地下深處。在這些惡劣條件下，當前的方法，例如電動潛水泵（ESP）或線性泵，通常會迅速破壞。例如，普通ESP在200°C以上的溫度下失敗，限制了我們使用最熱門和最有價值的地熱資源的能力。

已經在世界各地80％以上的油井中使用的氣體提陞技術在地下深處引入了壓縮氣體，以將液體升至表面。但是地熱流體不是油。它更便宜，能量較少，必須有效提取以保持經濟上的可行性。在適應這種地熱使用方法時，以前在油提取期間先前錯過的效率問題變得至關重要。

我們可以改變氣體提陞技術以有效地從地面表面的深處提取地熱液體嗎？事實證明，答案是肯定的 – 我們可以顯著提高氣體上升過程的有效性。

微小的氣泡，巨大的影響力

最近 學習 發表在 地熱能西弗吉尼亞大學力學，材料和航空航天工程學院的團隊將此問題交給了實驗室。我們已經開發了3磅的重量，稱為氣體濺射器，它們的噴嘴很小，可以以微小的氣泡形式將壓縮氣體分散到地熱液體中。

在進行了100多個頭皮實驗並使用擴展的數值建模之後，我們確定了最佳設計參數：一個帶有51個小孔的sparger，內部通道徹底形成（文圖裡）約95％的液體直徑。我們優化的Sparger產生了均勻的氣泡，與沒有Spargers的傳統方法相比，液體的提取約24％。

為什麼小氣泡很重要？簡而言之，小，均勻分佈的氣泡平穩而有效地向上流動，從而顯著提高了注入氣體的起重功率。當氣泡上升時，它們會膨脹，降低液體的密度，並減輕並便宜地將地熱流體泵送到表面。

惡劣條件下的可靠性

但是一個有效性是不夠的。真正的地熱井是一種苛刻的礦物質，通常會堵塞設備。為了檢查我們的Sparger設計的可靠性，我們故意阻止了許多小孔。令人驚訝的是，即使有62％的阻塞，我們的Sparger仍然超過了傳統的注射方法。這種穩定對於實際部署至關重要。

從實驗室結果到真正的潛力

為了檢查我們的實驗室結果，我們使用經過驗證的數值模型勒索了實驗結果，以實現現實的地熱場景：良好。優化的Sparger在相同的氣體注入速度的情況下顯示出30％的地熱流體的產生可預測的增加，這涉及實際應用的有希望的前進方法。

這種突破可能會帶來廣泛的後果。先進的地熱系統具有巨大的未使用潛力，可提供連續的，可再生的基本負載，並具有最小的環境影響。但是，解鎖這種潛力取決於克服技術問題，例如有效提取流體從極端深度提取。

以下步驟：縮放

目前，我們的團隊正在準備檢查運營地熱井中的優化股。成功的現場演示將確保其實際活力的最終證據，為更廣泛的廣泛開放。

我們認為的未來並不依賴於經常失敗的複雜機器，而是由自然本身啟發的優雅解決方案。隨著對可再生能源的需求的增長，這種實用的創新可以極大地改變我們進入地球能源豐富的隱藏來源的方式。

這個故事是一部分 科學X對話框研究人員可以在其中報告其發表的研究文章中的結果。 訪問此頁面 獲取有關科學X對話以及如何參與的信息。

Terens Mushu博士是西弗吉尼亞大學機械工程和航空工程領域的助理教授。它的研究涵蓋了先進的材料，計算建模和能源技術，並特別重音開發新系統以改善地熱能提取。 Mushu博士廣泛發布，傳熱和材料工程，並領導幾個旨在用於可持續能源決策創新的聯邦金融項目