Undersøgelse viser geotermisk energi kunne være en ideel energilagringsteknologi

For dele af USA kunne det bedste sted at opbevare enorme mængder energi til elnettet være lige under vores fødder.

Geotermisk energi, som er afhængig af varme bjergarter langt under jordens overflade, har længe været brugt som kilde til opvarmning og elproduktion. Men de seneste fremskridt inden for boreteknologi har åbnet nye muligheder for i vid udstrækning at anvende geotermisk energi. Det ansporede forskere ved Princeton University til at demonstrere i en artikel i tidsskriftet Applied Energy at geotermisk energi også kan tjene som en ideel teknologi til energilagring. Desuden kan geotermisk varme supplere vind- og solenergi og levere strøm, når solen ikke skinner, eller vinden lægger sig.

"På tværs af det vestlige USA, hvor der er et stort geotermisk potentiale, kan dette være den manglende brik i puslespillet for at komme hele vejen til et kulstoffrit elektricitetssystem i forbindelse med masser af vind og sol og kortere batterier og efterspørgsel fleksibilitet," sagde Jesse Jenkins, projektets ledende forsker og assisterende professor i Mechanical and Aerospace Engineering og Andlinger Center for Energy and the Environment.

Geotermisk varme er en gammel teknologi og har været brugt til opvarmning i århundreder. Boise, Idaho, opvarmer meget af centrum med geotermisk varme. I moderne tid har geotermisk varme udvidet sig til elindustrien, drive varmepumper og levere elektrisk strøm til nettet. Den vedvarende energiteknologis fordele omfatter dens konstante produktion, relativt lave vedligeholdelse og ingen kulstofproduktion.

Men for el på nettet er geotermisk energi fortsat en nichespiller. Det skyldes, at teknologien kræver bestemte placeringer. Hovedsageligt har ingeniører brug for varme geologiske områder temmelig tæt på overfladen, sprækkede klippeformationer, der tjener som radiatorer, og adgang til væske for at flytte varmen til overfladen. (Her er en oversigt over geotermisk energi.) Det ændrer sig hurtigt, efterhånden som ingeniører udvikler nye teknologier med henblik på at udvide geotermisk elproduktion kraftigt.

Nøgleinnovationen udnytter teknologier fra olie- og gassektoren, herunder retningsboring og hydraulisk stimulering, for at skabe kunstige brudsystemer, hvor man kan finde varme, uigennemtrængelige sten. Hvis det lykkes, kan virksomheder, der kommercialiserer disse nye teknikker, frigøre en ren, vedvarende ressource, der i sidste ende er i stand til at levere hundredvis af gigawatt strøm alene i USA.

"Denne evne til at bevæge sig væk fra disse meget specifikke steder, hvor du har alle de rigtige ting på det rigtige sted, til hvor som helst, hvor du har varme nok sten tilgængelige uden at bore for dybt, betyder, at forbedret geotermisk energi kan åbne op for en meget bredere ressourcebase ," sagde Jenkins.

Det viser sig, at disse nye teknikker har en anden skjult fordel, som er blevet overset indtil nu. Vand, der cirkulerer gennem det kunstige sprækkesystem, er indeholdt i uigennemtrængelige klipper, hvilket betyder, at det ikke kan lække ud, og det gør disse geotermiske reservoirer til en fantastisk måde at lagre store mængder energi på, når efterspørgslen er lav, og derefter frigive energien, når efterspørgslen er høj . At lagre energi og flytte produktionen til de mest værdifulde tidspunkter øger geotermisk rentabilitet og fungerer som et perfekt supplement til vejrafhængige variable vedvarende systemer såsom vind og sol.

"Vi kørte reservoirsimuleringer for at evaluere de systemer, vi designer," sagde Jack Norbeck, medstifter og CTO for Fervo Energy, et Houston-baseret udviklingsselskab, der er banebrydende for disse avancerede geotermiske teknologier. Simuleringerne viste, at deres geotermiske systemer kunne arbejde for at levere konstant strøm eller baseload, men også til effektivt at lagre og skifte strøm til senere brug. "Vi kan betjene dem både i baseload og fleksible tilstande, hvilket er et stort skridt fremad for geotermisk teknologi."

I 2020 var ingeniører hos Fervo overbeviste om, at deres system ville fungere. Men de ville vide mere om økonomien i systemerne, og hvordan man optimalt kunne integrere teknologien i elnettet. For at få svar henvendte Fervo sig til Jenkins, leder af Princetons ZERO Lab.

"Det er præcis den slags spørgsmål, vi elsker at se på," sagde Jenkins. "Dette er praktiske spørgsmål, der vil vejlede beslutninger i den virkelige verden og investeringer og innovation, men som endnu ikke er blevet besvaret i den akademiske litteratur. Så det er det perfekte projekt for os - noget, der er et åbent spørgsmål i forskningen, hvor svaret betyder i dag, med det samme, for de beslutninger, som rigtige mennesker træffer om, hvordan de skal allokere deres tid og penge og innovationsindsats."

Norbeck, Fervos CTO, ydede teknisk support til undersøgelsen. Han sagde, at kernen i ideen var at kombinere den termiske energi fra de underjordiske klipper med mekanisk energi fra overliggende klippelag. Fervos ingeniører bruger horisontale boreteknikker til at skabe en række injektions- og produktionsboringer, der er forbundet med hinanden af ​​mange små kanaler i klippen, og danner et reservoir i jorden omkring 10.000 fod under jorden, hvor vandet kan opvarmes. I stedet for straks at bruge opvarmet vand til at drive turbiner til elektricitet, leder teknikere det varme, tryksatte vand ind i reservoirets netværk af kanaler. Væske akkumuleres i reservoiret og bøjer klippen, og det tryk kan senere udløses for at drive varm væske til overfladen for at drive turbiner til elektricitet.

Forskerne viste, at dette system kan bruges til at opbevare og sende elektricitet over en bred vifte af varigheder, fra blot et par timer op til mange dage ad gangen - adskiller det fra de fleste andre lagringsteknologier. "Effektiviteten afhænger af klippens geologi og andre karakteristika," sagde Norbeck. But, in general, "it turns out this form of energy storage proves to be one of the cheapest forms of long-duration energy storage."

Wilson Ricks, a Ph.D. candidate in mechanical and aerospace engineering and researcher with ZERO Lab, led the research and said the study's results exceeded what he initially had expected.

"The idea seemed kind of simple and elegant to me:you have this system, it's got these inherent properties and maybe we can just exploit them to do energy storage… almost like icing on a cake," said Ricks, the paper's lead author. "It turned out to be, unequivocally, more valuable in almost every context, and actually a really big potential advantage."

The paper, The value of in-reservoir energy storage for flexible dispatch of geothermal power, was published in Applied Energy .

The initial paper looked at the impact of one, first-of-its-kind plant. But as the technology is deployed at scale, it can shift and change the electricity price or market dynamics, so now the team is using long-term electricity capacity planning models to examine the long-run equilibrium outcome and impact on markets. Results from the first study helped Fervo demonstrate the added value of this novel storage method and secure a highly competitive grant from the Department of Energy's Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E). The latest project is a joint effort by Fervo, Princeton's ZERO Lab, Lawrence Berkeley National Lab and Rice University and will involve field demonstration and real-world data collection on the performance of the artificial fracture network and in-reservoir energy storage.

"This is the kind of stuff that we find really exciting, where you can answer this sort of open question with our energy system modeling tools, that then directly leads to further investment and innovation and, hopefully, accelerates the adoption of impactful technologies that can help us tackle climate change," Jenkins said. + Udforsk yderligere

Institute demonstrates first-of-its-kind small-scale pumped heat energy storage system