捕获二氧化碳并将其泵入地下深处可能是减轻气候变化影响的重要组成部分。然而，确保二氧化碳远离大气层是至关重要的，因为它是一种吸热的温室气体。
桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的研究人员最近设计、制造并在实验室测试了一种设备，该设备可以利用定期向钻孔中泵入二氧化碳造成的温差为电池充电，以便有朝一日为地下传感器供电。
“理想情况下，你会有连续的地下传感，用几种不同类型的传感器，它会告诉你二氧化碳是如何移动的，如果它与地下水或矿物质发生反应，”查尔斯·布莱恩说，他是桑迪亚地球科学工程师，也是开发该设备的项目负责人。“你可以证明它没有流出水库。然而，很难将电力输送到井眼中:你不能只是将电线输送到工作井眼中。”
当热量从热土流过设备，传递给温度较低的二氧化碳时，就会产生一个电压，可以用来给电池充电，最终为传感器供电。参与该项目的材料科学家拉梅什·科里佩拉(Ramesh Koripella)说，桑迪亚开发的设备工作原理类似于为美国宇航局太空探测器甚至火星探测器提供动力的放射性同位素热电发电机。
美国国家航空航天局的放射性同位素热电发电机利用热钚颗粒的温差和太空的寒冷来发电，而桑迪亚的热电发电机装置则利用数千英尺以下热地球的温差，并将二氧化碳泵入地下。
Koripella说，这项技术在利用热能发电方面的效率远不如大多数汽车的内燃机。然而，它没有可能卡住的活动部件，这使得它非常适合太空和深钻孔等难以到达的地方。
布莱恩说，这个装置是一个多层管，上面有一排1 × 1英寸见方的热电发电机。Koripella补充说，每一个热电发电机都可以将流经它们的热量转化为电压，然后发电。
布莱恩说，内管的设计是为了承受二氧化碳泵入的温度和压力，而外管的设计是为了承受地下深处的温度和压力。在这两者之间的区域有电子装置，用来捕获和转换来自热电发电机的电压，为电池充电。他补充说，前桑迪亚机械工程师亚当·福里斯(Adam Foris)提出了这个管状装置的原始设计。
Koripella为该设备选择了合适的商用热电发电机，并领导了一个小型电路板的开发，该电路板可以转换和均匀来自发电机的能量，以便该设备可以为电池充电而不会损坏浪涌。他补充说，要找到能在华氏160度以上工作的电池是一项相当大的挑战，华氏160度是用于碳封存的井下深度的典型温度。
桑迪亚地球科学工程师汤姆·杜尔斯在实验室里测试了最初的一英尺长的原型机的发电能力。他还使用热成像和计算机建模来观察当热流体或冷流体流过设备时，设备周围的温度是如何变化的。建模和测试帮助团队改进了现场测试的原型。
布莱恩说，现场测试的原型机最终有3英尺多一点长，是由桑迪亚大学的机械工程师苏建成(jiann - cheng Su)开发的，他在设计上引入了一些创新和改进。
Koripella补充说，该团队对第二个原型进行了几项改进，以确保热电发电机与内壳和外壳有良好的接触，并且热量不能通过设备的其余部分从发电机周围走捷径。他解释说，在现场测试原型中，研究小组在设备周围增加了隔热层，并用弹簧夹代替了将热电发电机固定在一起的热高速金属螺钉。
桑迪亚地球科学工程师Jason Heath在一个活跃的二氧化碳注入点收集了数据，为现场条件下设备的建造提供了信息，并指导了现场测试地点的选择。最终，该团队选择了APS技术钻井测试设备。
Dewers在现场进行了现场测试，他说:“他们有一系列令人惊叹的设备来设计、制造和测试井下工具。“他们是我们理想的合作伙伴。APS的人很好，对我们很有耐心，还给了我们很多好的建议。”
在第一次现场测试中，Dewers将现场测试原型插入APS测试室的一个浅孔中。研究人员将设备降低到62英尺的深度。然后，他们将170度的水泵入设备的内部管道，以测试热电发电机和系统的其余部分。
不幸的是，在测试过程中，设备突然漏水，损坏了电源调节板和电池，杜尔斯和布莱恩说。与Dewers合作，APS能够找到并修复泄漏位置，干燥设备并更换损坏的部件。第二次试验是第一次试验的重复，取得了成功。
该团队还测试了现场原型机在高压环境下的生存能力。他们将设备的内壳承受400倍大气压，设备的外壳承受34倍大气压。他们还在压力室里加热了设备，并测量了热电发电机的电流，以确保它们在压力下工作。
Dewers说:“我们成功地产生了足够的电流，在有限的电流消耗下为井下传感器供电。“在这方面，这是一款成功的设备，但就我们部署该设备的时间而言，它受到了限制。”
杜尔斯和布莱恩说，为了长时间测试设备，他们需要安装更多的内存。此外，Koripella希望重新设计电源调节板，使其能够在更高的温差下工作，并可能增加一个二极管，以便无论热流体或冷流体流过设备，板都可以为电池充电。
在该设备准备好在碳封存现场进行长期现场测试之前，Bryan希望与井下传感器研究人员合作，确保电源调节板能够为传感器提供合适的功率。热电装置的最终测试将是看它能否为井下的硬线传感器供电。
Bryan说，该设备可以驱动的传感器类型包括压力传感器，检测微地震事件的传感器，以及监测井眼健康状况的传感器，例如二氧化碳是否从水库通过井眼泄漏。
Bryan补充说，同样的热电技术也可以用于其他地下应用的传感器，如监测石油和天然气勘探和生产，但这需要定期将热或冷流体泵入井中，以保持设备内外的温差。
“我认为这个设计很有创意，很聪明，”布莱恩说。“我们必须克服几个障碍;完成这项工作比我们想象的要困难得多。当现场测试成功时，我们都很兴奋。”由桑迪亚国家实验室提供引文:实验室成功测试了可用于监测碳封存工作的热动力系统(2023年，8月22日)2023年8月22日检索自https://techxplore.com/news/2023-08-lab-successfully-heat-powered-carbon-sequestration.html此文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
