دانلود رایگان ترجمه مقاله مدلسازی مبتنی بر GIS پتانسیل انرژی زمین گرمایی کم عمق (نشریه الزویر ۲۰۱۶) (ترجمه رایگان – برنزی ⭐️)

مدلسازی مبتنی بر GIS پتانسیل انرژی زمین گرمایی کم عمق برای کاهش صدورات CO2 در نواحی شهری

GIS-based modelling of shallow geothermal energy potential for CO2 emission mitigation in urban areas

چکیده
۲-انرژی زمین گرمایی کم عمق
۱-۲-فرایندها، تکنیک ها و تعاریف
۳-داده ها و روش اجرا
۱-۳-مطالعه موردی: شهر Ludwigsburg
۲-۳-روش اجرا
۴-نتایج و بحث
۱-۴-تقاضای انرژی حرارتی و گرمایی
۲-۴-انرژی پتانسیل زمین گرمایی
۳-۴-تقاضایی که با انرژی زمین گرمایی در هر قطعه زمین رفع شده است.
۴-۴ کاهش احتمالی در صدورات CO2
۵-نتیجه گیری

چکیده
به دلیل درصد به سرعت در حال افزایش جمعیت ساکن مراکز شهری، نیازی به تاکید بر تقاضای انرژی در این شهرها و استفاده از انرژی های تجدیدپذیر به جای سوخت های فسیلی وجود دارد. در این مقاله، ما یک مدل فضایی را برای تعیین پتانسیل در هر قواره زمین برای استفاده از انرژی زمین گرمایی کم عمق برای گرمسازی فضا و آب گرم ایجاد کرده ایم. این روش براساس گرمسازی فضا و تقاضای انرژی برای گرمسازی فضا و آب گرم در هر ساختمان و پتانسیل استخراج گرمای ویژه سطح زیرین در هر قواره زمین می باشد. با این اطلاعات، همراه با فضای موجود در هر قواره زمین برای سوراخ های گمانه زنی درصد تقاضای انرژی که می تواند توسط انرژی زمین گرمایی تامین شود، محاسبه می شود. کاهش پتانسیل در صدورات CO2 باید همگی انرژی زمین گرمایی استفاده شده ممکنی باشد که نیز محاسبه می شود. روش مزبور در شهر لودویگزبرگ المان بکار بسته شده و مشخص گردید که صدورات CO2 می تواند احیانا تا ۲۹٫۷% کاهش یابد اگر کلیه الزامات فضا و گرمسازی آب توسط انرژی زمین گرمایی فراهم شود که در قابلیت پایداری یک شهر نقش دارد. روش اجرای ساده ای دارد و می تواند در سایر شهرها بکار بسته شود چرا که داده های استفاده شده باید به سهولت در دسترس باشد. مزیت دیگری همان اجرا روی پلتفورم انرژی شهری هوشمند مبتنی بر وب است که به بهره برداری تعاملی از راه حل ها درون یک شهر امکان می دهد.
۱٫ مقدمه
تا سال ۲۰۳۰ پیش بینی شده است که تقریبا ۶۰ درصد از جمعیت جهان در مناطق شهری زندگی خواهند کرد. در اتحادیه اروپا EU تعداد ۷۴ درصد از کل جمعیت در نواحی طبقه بندی شده طبق دفاتر آمار ملی به عنوان مناطق شهری زندگی می کنند. با چنین رشدی در شهرهای نواحی شهری، قابلیت پایداری یک مفهوم کلیدی هنگام برنامه ریزی برای آینده شده است. از زمان گزارش Brundtland مسائل قابلیت پایداری بویژه صدورات CO2 و تمام شدن سوختهای فسیلی از طریق افزایش مصرف سوخت در شهرهای رو به رشد در برنامه سیاسی بوده است. اتحادیه اروپا این نیاز را در راهکار رشد EU2020 خود تایید کرده است که هدفش کاهش صدورات CO2 تا ۲۰ درصد با افزایش سهم منابع انرژی تجدیدپذیر در تولید انرژی تا ۲۰ درصد و بهبود کارایی انرژی تا ۲۰ درصد تا سال ۲۰۲۰می باشد. بعلاوه یک هدف طولانی مدت EU تا سال ۲۰۵۰ کاهش صدورات گاز گلخانه ای تا دست کم ۸۰ درصد در مقایسه با سطوح ۱۹۹۰ می باشد.نیاز به رهیافت به برنامه ریزی شهری با یک دیدگاه به عدم قرارگیری بار زیادی روی زمین و منابع اکنون همه جا پذیرفته شده است. ولیکن برای اینکه شهرها قابلیت پایداری کاهش انرژی و استفاده از آن را تضمین کنند، منابع انرژی تجدیدپذیر باید در برنامه های رشد شهری گنجانده شوند. در نتیجه، پروژه اروپایی MUSIC راه اندازی گردید تا کاهش CO2 را بوسیله پتانسیل های انرژی تجدیدپذیر درون پنج شهر ابردین و گنت و لودویگزبرگ و مونتریل و روتردام مطرح سازد. یک سیستم پشتیبانی تصمیمات مبتنی بر وب به نام پلتفورم انرژی شهر هوشمند ایجاد گردید تا قابلیت بررسی راه حل های پایدار براساس پتانسیل های انرژی تجدیدپذیر را در کل شهر با یک درجه تفکیک بالای تصویر برای کاربران متعدد فراهم سازد.
ضروری است تقاضای انرژی را در مقیاس شهری، و پتانسیل استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر مختلف را برای انجام این تقاضا ارزیابی کنیم. فرد باید تعیین کند که کدام نوع انرژی تجدیدپذیر یا ترکیبی از آن برای یک شهر بهترین گزینه می باشد و نیز اثری که روی کاهش صدورات CO2 دارد باید تعیین شود. انرژی زمین گرمایی کم عمق یک راهی است که تاکید کمتری نسبت به پتانسیل های انرژی باد و خوشید برای شهرها دریافت کرده است. ما این کمبود را با تاکید خاصی بر اینکه چگونه تراکم و اشکال الگوی شهری بر پتانسیل انرژی و ظرفیت آن برای رفع تقاضای مصرف اثر دارند، مطرح کرده ایم.
انرژی خورشید و باد هدف اصلی مطالعات در زمینه پتانسیل برای استفاده از این منابع انرژی تجدیدپذیر می باشد. سیستم های اطلاعات جغرافیایی GIS برای متناظرسازی قابلیت تناسب رده های پوشش زمین با پتانسیل انرژی خورشیدی و باد بالا استفاده شده است. اغلب مطالعات در یک سطح منطقه ای متمرکز بوده اند. Voivontas و همکارانش برای مثال به محاسبه تقاضای گرمسازی آب برای یک ناحیه مسکونی و نیز پتانسیل استفاده از انرژی خورشیدی برای رفع این تقاضاها پرداخته اند. ارزیابی های پتانسیل انرژی خورشیدی نیز در مقیاس شهری توسط Bergamasco & Asinari اجرا شده است که یک روش ساده ای را برای ارزیابی قابلیت سقفی صفحات خورشیدی برای شهر تورین ابداع کرده اند درحالیکه Brito و همکارانش یک روشی را برای تخمین پتانسیل فوتوولتاژی یک ناحیه شهری با استفاده از داده های LiDAR و بسط تحلیلگر خورشیدی برای ArcGIS ی ESRI ابداع کرده اند. Mastrucci و همکارانش در سال ۲۰۱۵ یک پلتفورم انرژی شهری هوشمند را برای ارزیابی ترکیبی مصرف برق خانوار و پتانسیل PV در مقیاس شهری برای شهر روتردام بکار بستند.
در مقایسه با باد و خورشید، انرژی زمین گرمایی کم عمق علی رغم اینکه یک انتخاب احتمالا خوبی به دلیل موجودیت نامحدود آن است، کمتر به خوبی مطالعه شده است. این انرژی می تواند انرژی سالیانه را فراهم سازد و به عوامل خارجی مانند پوشش ابری همانند صفحات خورشیدی یا باد برای توربین های بادی بستگی ندارد. استفاده از انرژی زمین گرمایی به طور روزافزونی متداول شده است که یک نیروی حرارتی نصب شده تخمین زده شده برای استفاده مستقیم سال ۲۰۰۹ مععدل ۴۸۴۹۳ Mwt بوده است که نشان دهنده رشد سالیانه از ۲۰۰۵ تا ۲۰۱۰ به اندازاه ۱۱٫۴ درصد است. این مقدار معادل یک صرفه جویی در انرژی به اندازه ۲۵۰ میلیون بشکه نفت سالیانه می باشد و یک کاهش در CO2 به اندازه ۱۰۷ میلیون تن می باشد. کشورهای پیشرو در واحدهای نصب شده برای استفاده مستقیم همان امریکا، و چین و سوئد و المان و هلند می باشند. ولیکن یک پیشرفت آهسته این منبع انرژی به دلیل هزینه پایین نصب و صرف بودجه تاخیری اقتصادی کنونی وجود داشته است.
سوال مطرح شده در این مقاله این است که چگونه به سهولت قابلیت جایگزینی سوخت های فسیلی را با انرژی زمین گرمایی کم عمق برای رفع تقاضای گرمسازی فضا و آب گرم یک شهر ارزیابی نماییم. ما از یک روش جغرافیایی استفاده کرده ایم چرا که در مقیاس شهر، الگوی شهری به تقاضا و فضای موجود برای نصب مبدلهای حرارتی سوراخ گمانه زنی مربوط می شود. محاسبه پتانسیل روی یک قواره زمین براساس قواره زمین ارزیابی می شود و در این مقیاس خیلی زمانبر است و از اینرو یک روش GIS ساده (سیستم اطلاعات جغرافیایی) لازم است که اینکار را انجام دهد. ما از یک روش نمونه گیری برای تعیین اینکه چه تعداد سوراخ گمانه زنی را می توان در هر قواره زمین قرار داد استفاده می کنیم و تعیین می کنیم که چه درصدی از تقاضای انرژی را می توان انگاه با انرژی زمین گرمایی تامین نمود. بعد از آن تعیین می کنیم که کاهش پتانسیل در صدورات CO2 چقدر می شود اگر کلیه نصب های زمین گرمایی ممکنه در محل در ون شهر باشند. نتایج چنین تحلیلی را می توان به عنوان بوسیله برنامه ریزان شهری درون پروژه MUSIC هنگام ابداع برنامه های اصلی پایدارتری برای آن شهر مطابق با راهکار EU2020 استفاده نمود. داده های قابل دسترسی آسان در روش اجرا برای تضمین این امر استفاده می شود که فرایند در هر شهری از پروژه MUSIC قابل تکرار است و فراتر از دسترسی به داده های پایه یکسان می باشد.
به دلیل پایگاه داده هایی که به سهولت موجودند، شهر Ludwigsburg به عنوان یک مطالعه موردی استفاده شده است. روش ابداعی پایه ای برای یک محاسبه کننده انلاین مبتنی بر وب درون پلتفورم انرژی شهری هوشمند است که برپایه چارچوب نرم افزاری iGUESS می باشد. مقاله به ترتیب ذیل سازماندهی شده است . در بخش ۲ ما به معرفی تکنولوژی انرژی زمین گرمایی کم عمق می پردازیم و متون علمی موجود درباره ارزیابی پتانسیل آن را به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر مرور می کنیم. در بخش ۳ ما به معرفی داده ها و حیطه مطالعه موردی شهر Ludwigsburg می پردازیم. بعد از آن، ما یک توالی از روشهای محاسباتی را ارائه کرده ایم که نامش محاسبه تقاضای انرژی، قابلیت زمین گرمایی و درصد تقاضای انرژی فراهم شده توسط انرژی زمین گرمایی در سطح قواره زمین می باشد. بعد ما کاهش پتانسیل در صدورات CO2 را در مقیاس شهری محاسبه می کنیم. در بخش ۴ ما نتایج هر زیرمدل را ارائه می کنیم. در بخش ۵ ما نتیجه گیری می کنیم که روش تعیین پتانسیل زمین گرمایی یک شهر ساده و موثر بوده و اینکه یک کاهش معنی دار در صدورات CO2 می تواند از طریق انرژی زمین گرمایی برای گرمسازی فضا و آب گرم استفاده شود. نیز نتیجه گیری می کنیم که قسمتهای مسکونی به بهترین نحوی مناسب این نوع انرژی تجدیدپذیر هستند چرا که تقاضای انرژی تقریبا پایین است و فضای کافی موجود برای نصب یک سوراخ گمانه زنی روی قواره زمین برای رفع آن تقاضا وجود دارد. این امر طراحی محله های مسکونی پایدار را از لحاظ فشردگی برنامه ریزی تراکم (در برخی موارد که در آن انرژی زمین گرمایی کم عمقی را می توان استفاده کرد، یک الگوی شهری با فشردگی کمتری به طور پایدارتری درنظر گرفته می شود.) به زیر سوال می برد.

Abstract

Due to the rapidly increasing percentage of the population living in urban centres, there is a need to focus on the energy demand of these cities and the use of renewable energies instead of fossil fuels. In this paper, we develop a spatial model to determine the potential per parcel for using shallow geothermal energy, for space heating and hot water. The method is based on the space heating and hot water energy demand of each building and the specific heat extraction potential of the subsurface per parcel. With this information, along with the available space per parcel for boreholes, the percentage of the energy demand that could be supplied by geothermal energy is calculated. The potential reduction in CO2 emissions should all possible geothermal energy be utilised, is also calculated. The method is applied to Ludwigsburg, Germany. It was found that CO2 emissions could potentially be reduced by 29.7% if all space heating and hot water requirements were provided by geothermal energy, which would contribute to the sustainability of a city. The method is simple in execution and could be applied to other cities as the data used should be readily available. Another advantage is the implementation into the web based Smart City Energy platform which allows interactive exploration of solutions across the city.

۱٫ Introduction

By 2030 it is predicted that almost 60% of the world’s population will live in urban areas. In the European Union (EU) 74% of the total population lives in areas classified by national statistical offices as urban.2 With such growth in urban centres, sustainability has become a key concept when planning for the future. Since the Brundtland report [30] sustainability issues are on the political agenda, particularly CO2 emissions and the depletion of fossil fuels through rising fuel consumption of growing cities. The EU has recognised this need in their EU2020 growth strategy [12] which aims at reducing CO2 emissions by 20%, increasing the share of renewable energy sources in energy production to 20% and improving energy efficiency by 20% by the year 2020. Furthermore, a long-term target of the EU, to the year 2050, is to reduce the greenhouse gas emissions by at least 80% as compared to 1990 levels. The need to approach urban planning with a view to not placing excess strain on land and resources is now widely accepted. However, in order for cities to ensure the sustainability of their energy production and use, renewable energy sources need to be included in urban growth plans. As a consequence, the European project MUSIC3 was launched to address CO2 reduction by renewable energy potentials within the five cities Aberdeen, Ghent, Ludwigsburg, Montreuil and Rotterdam. A web based decisions support system, the Smart City Energy Platform, was developed to enable multiple end users to explore sustainable solutions based on renewable energy potentials across the entire city at a high resolution.

It has become necessary to assess the energy demand at urban scale, and the potential for using different renewable energy sources to fulfil this demand. One should determine which renewable energy type, or mix, would be best suited to a city, as well as the impact this would have on reducing CO2 emissions. Shallow geothermal energy is one alternative that has received less focus than wind and solar energy potentials for cities. We address this gap with a particular focus on how the density and forms of urban pattern impact on energy potential and capacity to meet consumption demand.

Solar and wind energy have been the main focus of attention of studies into the potential for using these renewable energy sources. Geographical information systems (GIS) have been used for suitability mapping of land cover classes with high solar and wind energy potential [3,15,24,29]. Most studies are focused at a regional scale. Voivontas et al. [29], for example, calculated the water heating demand for a residential region, as well as the potential for using solar energy to meet these demands. Assessments of solar energy potential have also been performed at urban scale by Bergamasco and Asinari [4], who developed a simple methodology for assessing the roof-top potential for solar panels for the city of Turin, while Brito, Gomes, Santos, and Tenedo’rio [8] developed a procedure to estimate the photovoltaic potential of an urban region using LiDAR data and the Solar Analyst extension for ESRI’s ArcGIS. Mastrucci et al. (2015) [20] applied the Smart City Energy Platform for the combined assessment of housing electricity consumption and PV potential at the urban scale for the City of Rotterdam.

Compared to wind and sun, shallow geothermal energy is much less well studied despite it being a potentially good choice due to its unlimited availability. It is able to provide energy year round and is not dependent on outside factors such as cloud cover as for solar panels, or wind for wind turbines. The use of geothermal energy is becoming increasingly popular, with an estimated installed thermal power for direct utilisation in 2009 of 48,493 MWt, showing an annual growth from 2005 to 2010 of 11.4%. This equates to an energy saving of 250 million barrels of oil, annually, and a reduction in CO2 of 107 million tonnes [18]. The leading countries in installed units for direct use are the US, China, Sweden, Germany and the Netherlands. However, there is slow development of this energy resource due to the high cost of installation and the current economic downturn hampering spending [19].

The question addressed in this paper is how to easily assess the potential for replacing fossil fuels with shallow geothermal energy in order to satisfy the space heating and hot water demand of a city. We use a geographical approach as, at city scale, the urban pattern is relevant to the demand and the space available for the installation of borehole heat exchangers. The potential calculation is assessed on a parcel by parcel basis, which is intensive at this scale and therefore a simple GIS (geographical information system) method was required to carry this out. We use a sampling method to determine how many boreholes could fit onto each parcel and determine what percentage of the energy demand can then be supplied by geothermal energy. Following this, we determine the potential reduction in CO2 emissions if all possible geothermal installations are put in place within the city. The outcomes of such an analysis can be used by urban planners within the MUSIC project when developing more sustainable master plans for the city, in accordance with the EU2020 strategy. Easily obtainable data have been used in the methodology to ensure that the process is replicable in any city of the MUSIC project and beyond with access to the same basic data.

Due to the readily available dataset, the city of Ludwigsburg was used as a case study. The developed methodology will be the basis for a web based online calculator within the Smart City Energy Platform4 which is based on the software framework iGUESS [1]. The article is organised as follows. In Section 2, we introduce shallow geothermal energy technology and review the literature on the assessment of its potential as a renewable energy source. In Section 3, we introduce the data and the case study area of Ludwigsburg. Following this, we present a sequence of computational methods, namely the calculation of energy demand, the geothermal potential and the percentage of the energy demand satisfied by geothermal energy at parcel level. We then calculate the potential reduction in CO2 emissions at city scale. In Section 4, we present the results for each submodel. In Section 5, we conclude that the methodology for determining the geothermal potential of a city is simple and effective and that a significant reduction in CO2 emissions can be achieved through using geothermal energy for space heating and hot water. We also conclude that residential dwellings are best suited to this type of renewable energy as the energy demand is relatively low and there is enough space available for the installation of a borehole on the parcel to cover this demand. This questions the design of sustainable residential neighbourhoods in terms of compactness or density planning e in certain cases, where shallow geothermal energy can be utilised, a less dense urban pattern would be considered more sustainable..

مدلسازی مبتنی بر GIS پتانسیل انرژی زمین گرمایی کم عمق برای کاهش صدورات CO2 در نواحی شهری

GIS-based modelling of shallow geothermal energy potential for CO2 emission mitigation in urban areas