نیوزویز — انتقال جهانی از منابع انرژی تجدید ناپذیر به منابع پاک تجدیدپذیر، رسالت همه است. دستیابی به انتشار خالص کربن صفر نیاز به تمرکز و پشتیبانی قابل مقایسه با فرود یک فضاپیما بر روی ماه دارد. در واقع، در وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) آن را 21 صدا کن^St یک ماموریت صد ساله Energy Earthshots™. اما برخلاف هدف واحد فرود روی ماه، Earthshots™ شامل یک رویکرد چند جانبه برای مهار انرژی تجدیدپذیر از هیدروژن، گرما و باد زمین و ذخیره آن انرژی است که صنعت را کارآمدتر می‌کند و انتشار خالص کربن را حذف می‌کند.

برای پشتیبانی از Energy Earthshots™ DOE، آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام (PNNL) منجر به دو جداگانه خواهد شد مراکز تحقیقاتی انرژی زمین شات (EERC). این مراکز بر اساس تخصص تثبیت شده PNNL در انجام علوم پایه مبنی بر (1) انرژی زمین گرمایی و (2) انرژی باد دریایی شناور هستند. دانشمندان PNNL همچنین از مرکز سوم متمرکز بر جذب دی اکسید کربن حمایت خواهند کرد.

یک شیمی دان کوین روسو مرکز درک سیگنال‌های زیرسطحی و نفوذپذیری (CUSSP) را هدایت می‌کند تا سیستم‌های زمین‌گرمایی بهبودیافته را به‌منظور تبدیل آن‌ها به یک منبع کاملاً در دسترس و قابل اعتماد از انرژی‌های تجدیدپذیر، ارتقا دهد. هدف CUSSP پیش‌بینی و کنترل چگونگی جریان آب از طریق صخره‌های داغ در زیرسطح از طریق شبیه‌سازی‌های پیچیده و اندازه‌گیری‌های میدانی دقیق است.

دانشمند زمین لری برگ در حال رهبری تلاش‌ها برای تبدیل باد شناور دریایی به یک منبع انرژی پایدار درازمدت از طریق مرکز، رسیدگی به چالش‌های انرژی: باد شناور در آب و هوای در حال تغییر (ACE-FWICC). ACE-FWICC طراحی و کنترل توربین های بادی شناور دریایی و ادغام آنها در شبکه را با ترکیب دانش از شرایط آب و هوایی و اقیانوسی پیش خواهد برد.

هر دو تلاش تحت رهبری PNNL شامل اعضای تیمی از سایر آزمایشگاه‌ها و دانشگاه‌های ملی می‌شود و تخصص‌های متنوع مورد نیاز برای ایجاد پیشرفت قابل توجهی در جهت استقرار نیروگاه‌های بادی زمین گرمایی و بادی دریایی بهبود یافته را گرد هم می‌آورد.

PNNL یک شریک در مرکز سوم متمرکز بر حذف دی اکسید کربن است، Terraforming Soil EERC: Accelerating Soil Dioxide Sequestration from Advanced ژنومیک و ژئوشیمی به رهبری آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور. برنامه EERC برای هر مرکز 19 میلیون دلار بودجه در یک دوره چهار ساله فراهم می کند.

گفت: “ما در PNNL مفتخریم که از ماموریت علمی مهم دفتر علوم و اهداف جاه طلبانه Energy Earthshots پشتیبانی و پیشبرد می کنیم.” استیون اشبی، مدیر PNNL. “این مراکز جدید از تخصص عمیق علوم بنیادی PNNL استفاده می کنند تا راه حل های کاربردی مورد نیاز برای آینده انرژی پاک کشور ما را هدایت کنند.”

درک آنچه در زیر سطح نهفته است

انرژی زمین گرمایی بر اساس یک اصل ساده کار می کند: آب گرم شده در زیر زمین می تواند برای تولید برق استفاده شود. از لحاظ تاریخی، انسان ها از منابع طبیعی انرژی زمین گرمایی مانند چشمه های آب گرم بهره برده اند. اما تامین نیازهای انرژی آینده بیش از این منابع پراکنده نیاز دارد.

سیستم های زمین گرمایی بهبود یافته شامل ایجاد انرژی زمین گرمایی در سایت های تازه ساخته شده است. این امر مستلزم حفر چاه برای پمپاژ آب سرد به عمق زمین و سپس استخراج آب گرم شده از سطح زیرین است. برای اطمینان از جریان سیال، شبکه ای از شکستگی ها در زیر سطح ایجاد می شود تا چاه های تزریق و تولید را به هم متصل کند. آب از میان شکاف های کوچک جریان می یابد و گرما را در طول مسیر جذب می کند. با این حال، شرایط شدید در اعماق زمین به این معنی است که شبکه شکستگی می تواند در طول زمان به روش های پیچیده ای تغییر کند که پیش بینی آن دشوار است.

مرکز جدید Earthshot قصد دارد تا حدس و گمان را از پیش‌بینی چگونگی تغییر یک ویژگی زمین گرمایی در طول زمان حذف کند. تیم تحت رهبری PNNL در حال اتخاذ رویکرد جدیدی برای درک چگونگی جریان آب در این شکاف‌های زیرزمینی است.

روسو گفت: «رویکرد ما از اندازه‌گیری‌های حسگر از یک سایت میدان فعال برای یافتن ارتباطات واضح بین سیگنال‌های شناسایی شده و فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی مختلف که جریان سیال را کنترل می‌کنند، استفاده می‌کند. این به ما امکان می دهد تا بر اساس داده های یک سایت آزمایشی واقع بینانه، آنچه را که در حال حاضر و در آینده اتفاق می افتد، یاد بگیریم و در نهایت پیش بینی کنیم.

تخصص PNNL در ژئوشیمی، ژئوفیزیک و مدل‌سازی زیرسطحی به تلاش‌های تحقیقاتی این تیم کمک خواهد کرد. برای مثال، نرم‌افزار توسعه‌یافته PNNL به نام PFLOTRAN پیچیدگی تغییر جریان‌های زیرسطحی را مدل‌سازی می‌کند. کار قبلی منجر به اولین قابلیت یکپارچه سازی داده های ژئوفیزیکی در PFLOTRAN شده است. تمرکز این پروژه بر روی سیستم‌های زمین گرمایی پیشرفته به معنای گسترش توانایی PFLOTRAN برای پیش‌بینی فرآیندهای زیرسطحی است تا شامل ژئوشیمی همراه با ژئومکانیک و سیگنال‌های حسگر مربوطه توسط این فرآیندها باشد.

انرژی زمین گرمایی را با مدل ها کاربردی کنید

پایداری طولانی مدت و امکان سنجی سیستم های زمین گرمایی بهبودیافته به دانستن نحوه رفتار شبکه شکست در طول زمان بستگی دارد. در دماها و فشارهای بالا در اعماق زمین، فرآیندهای شیمیایی فعال و سریع هستند. مواد معدنی می توانند در آب حل شوند و در جای دیگری رسوب کنند و شکل شبکه شکستگی را تغییر دهند و بر الگوهای جریان تأثیر بگذارند.

با تغییر الگوهای جریان، کل خروجی سیستم زمین گرمایی نیز تغییر می کند. ردیابی شیمی فعال چالش برانگیز است زیرا انجام اندازه گیری در داخل شبکه شکستگی غیرعملی است. به همین دلیل است که محققان بر روی سنجش از دور زیرزمینی و نمونه برداری از چاه های ورودی و خروجی تکیه می کنند. محققان PNNL در استفاده از تکنیک‌های سنجش برای شناسایی فرآیندهای فیزیکی که در اعماق زمین رخ می‌دهند، متخصص هستند.

او گفت: «این شبیه به تصویربرداری ماهواره‌ای است، زیرا ما فرآیندهایی را حس می‌کنیم که دور از حسگرها اتفاق می‌افتند تیم جانسون، دانشمند محاسباتی PNNL و عضو تیم رهبری CUSSP. ما حسگرهای ژئوفیزیکی را در گمانه‌های عمیق قرار می‌دهیم تا بتوانیم ببینیم بین آنها چه می‌گذرد.»

با ترکیب داده های ژئوفیزیکی، ژئوشیمیایی و ژئومکانیکی، تیم تحقیقاتی قصد دارد تصویری غنی از شبکه شکستگی در حال تکامل یک سایت تحقیقاتی زمین گرمایی پیشرفته ایجاد کند. این داده ها به تعیین چگونگی توسعه یک سایت در طول زمان کمک می کند و امکان بهینه سازی و کاهش هزینه تولید انرژی زمین گرمایی پاک را فراهم می کند. این تیم قصد دارد استفاده کند فراگیری ماشین رویکردهایی برای کمک به تجزیه و تحلیل داده ها و شناسایی مهم ترین عوامل.

از زمین تا دریا

در ACE-FWICC، محققان PNNL از دانش عمیق خود در مورد پدیده های جوی و اقیانوسی استفاده می کنند. هوش مصنوعی و فراگیری ماشینو شبکه برق برای غلبه بر موانع در راه استقرار بادهای دریایی شناور. توربین‌های بادی دریایی شناور راهی هیجان‌انگیز برای جذب مقادیر قابل‌توجهی انرژی هستند، زیرا می‌توان آن‌ها را در مناطق عمیق اقیانوسی که سکوهای بادی لنگر انداخته غیرعملی هستند، قرار داد.

در این مرحله، استقرار نیروی بادی دریایی شناور با چندین چالش عمده روبرو است. این چالش‌ها شامل شناسایی مکان‌های مزارع بادی، درک چگونگی تأثیر شرایط آب و هوایی و اقیانوس بر توربین‌ها و ادغام موثر انرژی در شبکه است. مرکز جدید باد فراساحلی Earthshot از تخصص همه این زمینه ها استفاده می کند تا تیمی را ایجاد کند که علوم پایه و کاربردی را ترکیب می کند.

PNNL دهه‌ها را صرف ساختن درک عمیقی از سیستم جو/اقیانوس کرده است، توربین‌های بادی را برای بهینه‌سازی تولید برق و عمر توربین، عملکرد کارآمد و قابل اعتماد شبکه برق، و کنترل توربین‌های بادی انجام داده است. هوش مصنوعی و فراگیری ماشینبرگ گفت. ACE-FWICC به ما امکان می دهد در علم جو و اقیانوس، کنترل مزرعه بادی و ادغام شبکه شریک شویم تا سیستم های بادی دریایی شناور را مقرون به صرفه کنیم.

نصب توربین های بادی دریایی شناور نیاز به سرمایه گذاری قابل توجهی دارد، بنابراین اطمینان از قرار دادن آنها در مناطقی که برای دهه های آینده به طور مناسب بادخیز خواهند بود، برای دوام طولانی مدت آنها ضروری است. این تیم شرایط آب و هوا و اقیانوس را در یک آب و هوای متغیر مدل‌سازی می‌کند و تأثیر آن‌ها بر قدرت و در دسترس بودن باد را شناسایی می‌کند.

این نتایج مدل در پیش بینی توان تولید شده توسط چنین توربین ها و برای تخمین عمر آنها با محاسبه سایش گنجانده می شود. داده‌های مربوط به نیرویی که توسط این توربین‌ها تولید می‌شود در مدل‌های شبکه استفاده می‌شود تا به آنها اجازه دهد تا به طور یکپارچه در شبکه برق بزرگ‌تر ادغام شوند.

یک نیروی قدرتمند برای بادهای دریایی

این نوع تلاش مدل‌سازی جفت شده در اولین مراحل برای بادهای دریایی شناور است. روش‌های مدل‌سازی سنتی هر بخش از اکوسیستم انرژی بادی را به‌طور جداگانه شبیه‌سازی می‌کنند. این می‌تواند منجر به مدل‌هایی شود که یا نمی‌توانند ارتباط برقرار کنند یا داده‌هایی تولید می‌کنند که استفاده در سایر مدل‌های مرتبط دشوار است. توسعه یک چارچوب جدید برای همکاری عمیق می تواند به مدل سازی کارآمدتر منجر شود.

این مرکز با استفاده از اکوسیستم پیش‌بینی باد شناور، بخش‌های مختلف را گرد هم می‌آورد هوش مصنوعی و فراگیری ماشین برای ایجاد مدل های سریع تر و دقیق تر. از طریق این مدل‌ها، محققان می‌توانند مکان ساخت توربین‌های بادی شناور دریایی و نحوه ادغام کارآمد آنها را در شبکه آینده تعیین کنند.

این تیم شامل محققانی از طیف گسترده ای از زمینه ها، سطوح شغلی و موسسات است. “زمانی که ما در حال ساختن تیم خود بودیم، بسیار عمدی در مورد چگونگی ارائه دیدگاه های مختلف به پروژه فکر کردیم.” آلیشیا ماهون، مشاور ACE-FWICC و مدیر برنامه انرژی باد در PNNL. گروهی که ما داریم متنوع و با استعداد هستند، دقیقاً چیزی که این موضوع به آن نیاز دارد.»

همکاری برای دستیابی به ضربه کربن منفی و سایر اهداف Earthshot™

محققان PNNL تخصص خود را در پروتئومیکس، مطالعه در مقیاس بزرگ پروتئین ها به ارمغان می آورند. تجزیه و تحلیل مواد آلی؛ و اکوسیستم های مصنوعی به خاک ترافرمینگ EERC، به رهبری جنیفر پت-ریج از آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور. تمرکز این مرکز بر تسریع ترسیب کربن خاک با استفاده از محرک های بیولوژیکی و زمین شناسی قابل تنظیم است. تیم PNNL-مری لیپتون، لیلیانا پاشا تولیچو آرونیما باتاچارجی– پروتئین ها و مواد آلی موجود در محیط های خاک مصنوعی را با استفاده از قابلیت های EMSL، آزمایشگاه علوم مولکولی محیطی، تجزیه و تحلیل خواهد کرد. آنها می توانند بینشی در مورد چگونگی تعامل گونه های مختلف بیولوژیکی با یکدیگر و با محیط وسیع تر ارائه دهند. این بینش می تواند به شناسایی باکتری ها، قارچ ها و گیاهان امیدوارکننده برای جذب دی اکسید کربن و ذخیره آن در خاک کمک کند.

CUSSP شامل همکارانی از آزمایشگاه ملی Argonne است. دانشگاه کلمسون؛ مدرسه معادن کلرادو؛ آزمایشگاه ملی لارنس برکلی؛ دانشگاه پوردو؛ دانشگاه کالیفرنیا، ایروین؛ دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign; دانشگاه مریلند؛ و دانشگاه نیومکزیکو ACE-FWICC شامل همکارانی از آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، آزمایشگاه ملی آرگون، دانشکده معادن کلرادو، دانشگاه جان هاپکینز، مرکز ملی تحقیقات جوی، دانشگاه A&M تگزاس، دانشگاه کلرادو، دانشگاه پورتوریکو و دانشگاه ماساچوست آمهرست است.

Terraforming Soil EERC شامل محققانی از آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور، UC برکلی، UC Davis، دانشگاه رایس، دانشگاه پرینستون، دانشگاه ییل، کالج کارلتون، MIT، دانشگاه آریزونا شمالی، دانشگاه ایالتی کلرادو، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، Andes Ag, Inc. و مرکز تحقیقات آب و هوایی Woodwell.

بودجه EERC توسط دفتر علوم DOE تأمین می شود.

را