Лаборатория успешно проверяет тепловую систему, которую можно использовать для мониторинга усилий по секвестрации углерода

Кредит: Рэй Джонсон, Национальные лаборатории Санды

Исследователи в Sandia National Laboratories недавно разработали, построили и испытывали лаборатории устройства, которое может использовать разницу температуры, вызванную периодической перекачкой углекислого газа вниз по скважине для зарядки батарей для когда-нибудь подземных датчиков.

«В идеале, у вас будет непрерывное подземное зондирование, с несколькими различными типами датчиков, которые сообщали бы вам, как движется диоксид углерода, если он реагирует с подземными водами или минералами», - сказал Чарльз Брайан, инженер и лидер Sandia Geosciences и лидерпроекта по разработке устройства.«Вы могли бы продемонстрировать, что он не выходит из водохранилища. Однако трудно запустить силу вниз: вы не можете просто иметь провода, бегущие по рабочей скважине».

Поскольку тепло течет из горячей земли через устройство к более холодному углекисленному газу, он создает напряжение, которое можно использовать для зарядки батареи и в конечном итоге датчиков питания.По словам Рамеш Корипелла, ученый для материалов Сандиа, разработанный устройством.

В то время как термоэлектрические генераторы НАСА используют разницу температуры от горячих гранул плутония и холода пространства для производства мощности, устройство термоэлектрического генератора Sandia использует разницу температуры от горячей Земли тысячи футов вниз, а углекислый газ накачивается.

По словам Корипелла, эта технология не так эффективна для производства электроэнергии от тепла, как в двигателе внутреннего сгорания в большинстве автомобилей.Тем не менее, у него нет движущихся частей, которые могли бы застревать, что делает его идеальным для труднодоступных мест, таких как пространство и глубокие скважины.

По словам Брайана, устройство представляет собой многослойную трубку с массивом квадратных термоэлектрических генераторов 1 на 1 дюйма.Каждый из этих термоэлектрических генераторов может превратить тепло, протекающее через них в напряжение, а затем питание, добавила Корипелла.

По словам Брайана, внутренняя трубка построена, чтобы противостоять температуре и давлению от углекислого газа, в то время как внешняя труба построена, чтобы противостоять температуре и давлению от глубокого под землей, сказал Брайан.В области между этими двумя проживает электроника для захвата и преобразования напряжения из термоэлектрических генераторов, чтобы зарядить батарею.Он добавил, что бывший инженер-механик Sandia Адам Форис разработал оригинальный дизайн для устройства, похожих на трубку.

Koripella выбрала правые коммерчески доступные термоэлектрические генераторы для устройства и привел к разработке небольшой платы, которая преобразует и вытесняет энергию от генераторов, чтобы устройство могло зарядить батарею без повреждения скачек.Он добавил, что было довольно сложно найти батареи, которые работают выше 160 градусов по Фаренгейту, что является типичной температурой, проходящей скважину на глубине, используемых для секвестрации углерода.

Выработка электроэнергии по первоначальному прототипу длиной ноги была проверена в лаборатории инженером Sandia Geosciences Томом Дьюерсом.Он также использовал тепловая визуализация и компьютерное моделирование, чтобы посмотреть, как температура изменилась вокруг устройства, когда через него протекает горячая или холодная жидкость.Моделирование и тесты помогли команде усовершенствовать прототип для теста на поле.

По словам Брайана, прототип полевого тестирования, который оказался немного более чем на три фута, был разработан инженером-механиком Sandia Jiann-Cherng Su, который ввел несколько инноваций и улучшений в дизайне, сказал Брайан.

Команда сделала несколько улучшений во втором прототипе, чтобы убедиться, что термоэлектрические генераторы имели хороший контакт с внутренними и внешними оболочками, и что жара не может взять ярлык вокруг генераторов через остальную часть устройства, добавил Koripella.Для прототипа полевого тестирования команда добавила тепловые изоляторы вокруг устройства и заменила металлические винты с тепло-дорожным путем, которые держали термоэлектрические генераторы вместе с зажимами на основе пружины, объяснил он.

Инженер Sandia Geosciences Джейсон Хит собрал данные о активном участке впрыска углекислого газа, чтобы информировать строительство устройства для условий полевых условий и привести к выбору участка для полевого теста.В конечном счете, команда выбрала тестовый центр APS Technology.

«У них есть удивительное множество средств для проектирования, строительства и тестирования инструментов скважины», - сказал Дьюерс, который отправился на сайт для полевых испытаний.«Они были идеальной компанией для нас, чтобы работать. Люди APS были великолепны и терпеливы с нами, и имели много хороших предложений».

Для первого полевого теста Dewers вставил прототип полевого тестирования в мелкую скважину в одной из испытательных комнат APS.Исследователи опустили устройство на глубину 62 фута.Затем они перекачивали 170-градусную воду через внутреннюю трубку устройства, чтобы проверить термоэлектрические генераторы и остальную часть системы.

К сожалению, во время теста устройство выросла утечка, что повредило плату кондиционирования питания и аккумулятор, Дейерс и Брайан, по словам Брайана.Работая с Dewers, APS смогла найти и починить место утечки, высушить устройство и заменить поврежденные детали.Второй тест, повторение первого, был успешным.

Команда также проверила, насколько хорошо полевой прототип может выжить в среде высокого давления.Они подвергали внутреннюю оболочку устройства давлению атмосферного давления в 400 раз и внешней оболочке устройства, чтобы давление в 34 раза атмосферное давление.Они также нагревали устройство внутри камеры давления и измерили ток от термоэлектрических генераторов, гарантируя, что они работают под давлением.

«Мы успешно сгенерировали достаточный ток для питания датчиков скважины с ограниченным током», - сказал Дьюерс.«В этом отношении это было успешное устройство, но оно было ограничено с точки зрения того, как долго мы могли развернуть устройство».

Чтобы протестировать устройство в течение более длительного времени, им нужно установить больше памяти, - сказали Дьюерс и Брайан.Кроме того, Koripella хотела бы восстановить плату кондиционирования питания, чтобы она работала с более высокими различиями в температуре и, возможно, добавила диод, чтобы плата могла зарядить батарею независимо от того, протекают ли горячие или холодные жидкости через устройство.

Прежде чем устройство будет готово к долгосрочному полевому испытанию на участке углерода, Брайан хотел бы сотрудничать с исследователями датчиков скважины, чтобы гарантировать, что плата кондиционирования питания может обеспечить правильную мощность для своих датчиков.Конечный тест термоэлектрического устройства заключается в том, чтобы увидеть, сможет ли оно питать твердые датчики.

Виды датчиков, которые устройство может включать в себя датчики давления, датчики для обнаружения микросейсмических событий и мониторинга здоровья скважины, например, вытекает ли углекислый диоксид из резервуара через скважину.

Брайан добавил, что та же самая термоэлектрическая технология также может быть использована для питания датчиков для других подземных применений, таких как мониторинг разведка нефти и газа и производство, но это потребовало бы периодической перекачки горячей или холодной жидкоза пределами устройства.

«Я думаю, что дизайн действительно инновационный, действительно умный», - сказал Брайан.«Нам пришлось преодолеть несколько препятствий; это было намного сложнее, чем мы думали сделать это. Мы все были взволнованы, когда полевой тест был успешным».