น้ำใต้ดินอาจเป็นทางออกในการทำความร้อนและความเย็นสีเขียว

"เราต้องการที่จัดเก็บเพื่อดูดซับพลังงานที่ผันผวนจากแสงอาทิตย์และลม และคนส่วนใหญ่สนใจแบตเตอรี่และที่เก็บไฟฟ้าประเภทอื่นๆ แต่เราสงสัยว่าจะมีโอกาสใช้ที่เก็บพลังงานความร้อนใต้พิภพหรือไม่ เพราะความร้อนและความเย็นเป็นสิ่งที่ครอบงำ ส่วนหนึ่งของความต้องการพลังงานสำหรับอาคาร" ผู้เขียนคนแรก ATD Perera อดีตนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) กล่าวตอนนี้อยู่ที่ Andlinger Center for Energy and Environment ของมหาวิทยาลัย Princeton "เราพบว่าเมื่อใช้ ATES จะสามารถกักเก็บพลังงานได้มหาศาล และสามารถเก็บไว้ได้เป็นระยะเวลานาน" Perera กล่าว "ผลที่ตามมาคือความต้องการพลังงานความร้อนและความเย็นในช่วงที่ร้อนจัดหรือเย็นจัดโดยไม่เพิ่มภาระให้กับกริด ทำให้โครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานในเมืองมีความยืดหยุ่นมากขึ้น" การศึกษาซึ่งตีพิมพ์ในสัปดาห์นี้ในApplied Energyเป็นหนึ่งในการตรวจสอบครั้งแรกว่า ATES สามารถเข้ากับเป้าหมายที่ใหญ่กว่าในการลดคาร์บอนในระบบพลังงานของสหรัฐฯ ได้อย่างไร โดยการเก็บพลังงานหมุนเวียนเป็นช่วงๆ ไว้ใช้ในยามที่ดวงอาทิตย์ไม่ส่องแสงและกังหันไม่เปิด ปั่น. หลังจากสร้างการจำลองทางเทคโนโลยีและเศรษฐกิจที่ครอบคลุมของระบบพลังงาน ผู้เขียนพบว่า ATES เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับการจัดเก็บพลังงานความร้อนและความเย็น ซึ่งควบคู่ไปกับเทคโนโลยีอื่นๆ เช่น แบตเตอรี่ สามารถช่วยยุติการพึ่งพาพลังงานสำรองที่ได้จากเชื้อเพลิงฟอสซิลและ เปิดใช้งานกริดที่หมุนเวียนได้อย่างสมบูรณ์ ทำให้อุณหพลศาสตร์ทำงาน ATES เป็นแนวคิดเรียบง่ายที่น่ายินดีที่ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติการดูดซับความร้อนของน้ำและลักษณะทางธรณีวิทยาตามธรรมชาติของดาวเคราะห์ คุณเพียงแค่สูบน้ำขึ้นมาจากอ่างเก็บน้ำใต้ดินที่มีอยู่และให้ความร้อนที่ผิวน้ำในฤดูร้อนด้วยความร้อนจากสิ่งแวดล้อมหรือพลังงานส่วนเกินจากแสงอาทิตย์ หรือในช่วงเวลาใดก็ได้ของปีด้วยลม จากนั้นคุณปั๊มกลับลงไป "ที่จริงมันค่อนข้างร้อนเพราะโลกเป็นฉนวนที่ค่อนข้างดี" ผู้เขียนร่วม Peter Nico รองผู้อำนวยการแผนกธรณีศาสตร์พลังงานแห่ง Berkeley Lab และหัวหน้าแผนก Resilient Energy, Water and Infrastructure Domain "ดังนั้นเมื่อคุณดึงน้ำขึ้นมาในฤดูหนาว หลายเดือนต่อมา น้ำนั้นจะร้อนกว่าอากาศรอบข้าง และคุณสามารถใช้มันเพื่อให้ความร้อนแก่อาคารของคุณ หรือในทางกลับกัน คุณสามารถดึงน้ำขึ้นมาและปล่อยให้เย็นลง จากนั้นคุณก็สามารถทำได้ ใส่กลับลงไปและเก็บไว้จนกว่าคุณจะต้องการความเย็นในช่วงฤดูร้อน มันเป็นวิธีการเก็บพลังงานเป็นอุณหภูมิใต้ดิน " ATES ยังไม่มีการใช้อย่างแพร่หลายในสหรัฐอเมริกา แม้ว่าจะได้รับการยอมรับในระดับนานาชาติ น้ำใต้ดิน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเนเธอร์แลนด์ ข้อได้เปรียบหลักประการหนึ่งคือระบบเหล่านี้ได้รับพลังงานความร้อน "ฟรี" จากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิตามฤดูกาล ซึ่งสามารถเสริมด้วยการเพิ่มความร้อนเทียมและความเย็นที่เกิดจากไฟฟ้า ด้วยเหตุนี้ พวกเขาจึงทำงานได้ดีมากในพื้นที่ที่มีความผันผวนตามฤดูกาลมาก แต่มีศักยภาพในการทำงานได้ทุกที่ ตราบใดที่มีลมหรือแสงอาทิตย์ให้เชื่อมต่อ สำหรับผลกระทบอื่นๆ ระบบ ATES ได้รับการออกแบบมาเพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบต่อแหล่งน้ำดื่มที่สำคัญ ซึ่งบ่อยครั้งน้ำที่ใช้มาจากชั้นหินอุ้มน้ำที่ลึกกว่าแหล่งน้ำดื่ม และไม่ใส่สารเคมีใดๆ ลงในน้ำ มันทำงานอย่างไร? เพื่อให้ได้ตัวเลขที่ชัดเจนในการประมาณว่า ATES สามารถประหยัดพลังงานได้เท่าไรในกริดของสหรัฐฯ และค่าใช้จ่ายในการปรับใช้เท่าไร ทีมงานได้ออกแบบกรณีศึกษาโดยใช้แบบจำลองการคำนวณของพื้นที่ใกล้เคียงในชิคาโก ละแวกใกล้เคียงเสมือนจริงนี้ประกอบด้วยอาคารที่อยู่อาศัยแบบครอบครัวเดี่ยว 2 ชั้น 58 หลังพร้อมระบบทำความร้อนและความเย็นสำหรับที่อยู่อาศัยทั่วไป ซึ่งเชื่อมโยงกับการจำลองตารางพลังงานที่มีแหล่งพลังงานและทางเลือกในการจัดเก็บที่หลากหลาย รวมถึง ATES การคาดการณ์สภาพภูมิอากาศในอนาคตถูกนำมาใช้เพื่อทำความเข้าใจว่างบประมาณด้านพลังงานทั้งหมดของย่านนี้ถูกใช้ไปมากเพียงใดจากความต้องการในการทำความร้อนและความเย็นในปัจจุบัน และการเปลี่ยนแปลงนี้อาจเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในอนาคต ในที่สุด, การจำลองแบบไมโครกริดได้รับการออกแบบสำหรับพื้นที่ใกล้เคียงที่มีเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียนและ ATES เพื่อประเมินความเป็นไปได้ทางเศรษฐศาสตร์เทคโนโลยีและความยืดหยุ่นของสภาพอากาศ การนำปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้มารวมกันเป็นแบบจำลองเดียวจะเกิดขึ้นไม่ได้เลยหากขาดความเชี่ยวชาญที่หลากหลายของทีมงานในสาขาธรณีศาสตร์พลังงาน วิทยาศาสตร์ภูมิอากาศ และวิทยาศาสตร์อาคาร ผลการวิจัยพบว่าการเพิ่ม ATES ลงในกริดสามารถลดการใช้ผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมได้ถึง 40% แม้ว่าจะต้องเสียค่าใช้จ่ายมากกว่าเทคโนโลยีกักเก็บพลังงานที่มีอยู่ 15 ถึง 20% "แต่ในทางกลับกัน เทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานกำลังลดต้นทุนลงอย่างมาก และหลังจากพัฒนา ATES เพียงไม่กี่ปี เราก็สามารถคุ้มทุนได้อย่างง่ายดาย นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงค่อนข้างสำคัญที่เราจะต้องลงทุนในการวิจัยนี้และเริ่มสร้างของจริง - ระบบต้นแบบของโลก" Perera กล่าว "ATES ไม่ต้องการพื้นที่เมื่อเทียบกับระบบเก็บน้ำหรือน้ำแข็งบนถังเหนือพื้นดิน ATES ยังมีประสิทธิภาพมากกว่าและสามารถปรับขนาดสำหรับการทำความเย็นหรือความร้อนในชุมชนขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับระบบปั๊มความร้อนใต้พิภพแบบดั้งเดิมที่อาศัยการถ่ายเทความร้อนด้วยใต้ดิน ดินดิน" Tianzhen Hong ผู้เขียนร่วมและนักวิทยาศาสตร์อาวุโสของแผนกเทคโนโลยีอาคารและระบบเมืองกล่าวเสริม ประโยชน์หลักอีกประการของ ATES คือมันจะมีประสิทธิภาพมากขึ้นเนื่องจากสภาพอากาศจะรุนแรงมากขึ้นในปีต่อๆ ไปเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ฤดูร้อนที่ร้อนขึ้นและฤดูหนาวที่รุนแรงขึ้นตามที่แบบจำลองสภาพภูมิอากาศชั้นนำของโลกคาดการณ์ไว้จะมีข้อเสียหลายประการ แต่ข้อดีประการหนึ่งคือพวกเขาสามารถเพิ่มปริมาณพลังงานความร้อนอิสระที่สามารถเก็บไว้ได้ด้วย ATES "มันทำน้ำมะนาวใช่ไหม ถ้าคุณกำลังจะจัดงานที่ร้อนจัด คุณอาจเก็บความร้อนนั้นไว้ตอนที่คุณจัดงานที่หนาวจัด" นิโคกล่าว นอกจากนี้ ATES จะทำให้กริดในอนาคตมีความยืดหยุ่นมากขึ้นต่อไฟดับที่เกิดจากความต้องการพลังงานสูงในช่วงคลื่นความร้อน ซึ่งเกิดขึ้นค่อนข้างบ่อยในทุกวันนี้ในพื้นที่ที่มีประชากรสูงในสหรัฐฯ รวมถึงชิคาโก เนื่องจากการทำความเย็นที่ขับเคลื่อนด้วย ATES ใช้พลังงานไฟฟ้าน้อยกว่าอากาศมาก คอนดิชั่นเนอร์ต้องการเพียงพลังที่เพียงพอในการสูบน้ำไปรอบๆ “มันเป็นเรื่องที่ต้องทำจริงๆ และงานนี้เกี่ยวกับการแสดงคุณค่าของมันและวิธีหักกลบต้นทุน” นิโก้กล่าว "เทคโนโลยีนี้พร้อมแล้วที่จะนำไปใช้ เราแค่ต้องทำมัน" งานวิจัยนี้ได้รับทุนสนับสนุนจากสำนักงานเทคโนโลยีความร้อนใต้พิภพของกระทรวงพลังงาน