En injektionsbrunn vid Blue Mountain geotermiska anläggningen. Kredit:Dennis Schroeder/NREL
För delar av USA kan det bästa stället att lagra enorma mängder energi för elnätet vara precis under våra fötter.
Geotermisk energi, som är beroende av hett berg långt under jordens yta, har länge använts som en källa för uppvärmning och elproduktion. Men den senaste tidens framsteg inom borrteknik har öppnat nya möjligheter att brett sprida geotermisk kraft. Det sporrade forskare vid Princeton University att demonstrera i en artikel i tidskriften Applied Energy att geotermisk värme också kan fungera som en idealisk teknik för energilagring. Dessutom kan geotermisk värme komplettera vind- och solenergi och ge energi när solen inte skiner eller vinden lägger sig.
"Över hela västra USA där det finns mycket geotermisk potential kan detta vara den saknade pusselbiten för att komma hela vägen till ett kolfritt elsystem i kombination med massor av vind och sol och kortare batterier och efterfrågan flexibilitet", säger Jesse Jenkins, projektets ledande forskare och biträdande professor i Mechanical and Aerospace Engineering och Andlinger Center for Energy and the Environment.
Geotermisk värme är en gammal teknik och har använts för uppvärmning i århundraden. Boise, Idaho, värmer upp mycket av centrum med geotermisk värme. I modern tid har geotermi expanderat till kraftindustrin, driva värmepumpar och leverera elkraft till nätet. Den förnybara energiteknikens fördelar inkluderar dess konstanta produktion, relativt låga underhållsbehov och ingen koldioxidproduktion.
Men för el i nätskala förblir geotermisk nischaktör. Det beror på att tekniken kräver specifika platser. Främst behöver ingenjörer heta geologiska områden ganska nära ytan, sprickbildningar som fungerar som radiatorer och tillgång till vätska för att flytta värmen till ytan. (Här är en översikt över geotermisk kraft.) Det förändras snabbt eftersom ingenjörer utvecklar ny teknik med sikte på att kraftigt expandera geotermisk elproduktion.
Nyckelinnovationen utnyttjar teknologier från olje- och gassektorn, inklusive riktad borrning och hydraulisk stimulering, för att skapa konstgjorda spricksystem varhelst man kan hitta hett, ogenomträngligt berg. Om de lyckas kan företag som kommersialiserar dessa nya tekniker låsa upp en ren, förnybar resurs som så småningom kan leverera hundratals gigawatt kraft bara i USA.
"Den där förmågan att flytta bort från dessa mycket specifika platser där du har alla rätt saker på rätt plats, till precis var som helst där du har tillräckligt varma stenar tillgängliga utan att borra för djupt, betyder att förbättrad geotermisk värme kan öppna upp en mycket bredare resursbas ", sa Jenkins.
Det visar sig att dessa nya tekniker har en annan dold fördel som har förbisetts fram till nu. Vatten som cirkulerar genom det konstgjorda spricksystemet är inneslutet i ogenomträngliga bergarter, vilket betyder att det inte kan läcka ut, och det gör dessa geotermiska reservoarer till ett utmärkt sätt att lagra stora mängder energi när efterfrågan är låg och sedan frigöra energin när efterfrågan är hög . Att lagra energi och flytta produktionen till de mest värdefulla tiderna ökar geotermisk lönsamhet och fungerar som ett perfekt komplement till väderberoende variabla förnybara system som vind och sol.
"Vi körde reservoarsimuleringar för att utvärdera systemen som vi designar", säger Jack Norbeck, medgrundare och CTO för Fervo Energy, ett Houston-baserat utvecklingsföretag som banar väg för dessa avancerade geotermiska teknologier. Simuleringarna visade att deras geotermiska system kunde fungera för att ge stadig kraft, eller baslast, men också för att effektivt lagra och flytta kraft för senare användning. "Vi kan använda dem både i baslast och flexibelt läge, vilket är ett stort steg framåt för geotermisk teknik."
År 2020 var ingenjörer på Fervo övertygade om att deras system skulle fungera. Men de ville veta om ekonomin i systemen och hur man optimalt integrerar tekniken i elnätet. För svar kontaktade Fervo Jenkins, chef för Princetons ZERO Lab.
"Det är precis den typen av frågor som vi älskar att titta på," sa Jenkins. "Det här är praktiska frågor som kommer att vägleda verkliga beslutsfattande och investeringar och innovation, men som inte har besvarats i den akademiska litteraturen ännu. Så det är det perfekta projektet för oss - något som är en öppen fråga i forskningen där svaret är viktiga idag, omedelbart, för de beslut som verkliga människor fattar om hur de ska fördela sin tid och pengar och innovationsinsatser."
Norbeck, Fervos CTO, gav tekniskt stöd för studien. Han sa att kärnan i idén var att kombinera den termiska energin från de underjordiska stenarna med mekanisk energi från överliggande bergskikt. Fervos ingenjörer använder horisontella borrtekniker för att skapa en serie injektions- och produktionsborrhål som är anslutna till varandra genom många små kanaler i berget och bildar en reservoar i marken cirka 10 000 fot under jorden där vatten kan värmas upp. Istället för att omedelbart använda uppvärmt vatten för att driva turbiner för elektricitet, leder tekniker det heta, trycksatta vattnet in i reservoarens nätverk av kanaler. Vätska samlas i reservoaren och böjer berget, och det trycket kan senare släppas för att driva het vätska till ytan för att driva turbiner för elektricitet.
Forskarna visade att det här systemet kan användas för att lagra och skicka elektricitet över ett brett intervall, från bara några timmar upp till många dagar åt gången, vilket skiljer det från de flesta andra lagringstekniker. "Effektiviteten beror på bergets geologi och andra egenskaper," sa Norbeck. Men i allmänhet "visar det sig att denna form av energilagring visar sig vara en av de billigaste formerna av långvarig energilagring."
Wilson Ricks, en 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. + Utforska vidare
