对于美国部分地区来说,为电网储存大量能源的最佳地点可能就在我们脚下。
地热能源依赖于地球表面下方的热岩,长期以来一直被用作加热和发电的来源。但钻探技术的最新进展为广泛部署地热发电提供了新的机会。这促使普林斯顿大学的研究人员在《应用能源》杂志的一篇文章中证明,地热也可以作为一种理想的储能技术。此外,地热可以补充风能和太阳能,在太阳不发光或风力减弱时提供电力。
“在整个美国西部,地热潜力巨大,这可能是实现无碳电力系统的拼图中缺失的一块,同时还有大量的风能和太阳能电池以及持续时间较短的电池和需求灵活性,”杰西·詹金斯(Jesse Jenkins)说,该项目的首席研究员、机械和航空航天工程助理教授以及安德林格能源与环境中心。
地热是一项古老的技术,几个世纪以来一直用于供暖。爱达荷州的博伊西利用地热为市区大部分地区供暖。在现代,地热已扩展到电力工业、驱动热泵和向电网供电。可再生能源技术的优势包括其持续发电、相对较低的维护和零碳生产。
但对于电网规模的电力,地热仍然是一个利基市场。这是因为该技术需要特定的位置。主要是,工程师需要非常靠近地表的热地质区域、用作辐射器的裂隙岩层,以及将热量转移到地表的流体通道。(这里是地热发电的概述。)随着工程师们开发新技术,着眼于大规模扩大地热发电,这种情况正在迅速变化。
这项关键创新利用了石油和天然气行业的技术,包括定向钻井和水力增产,在任何可以找到热的、不透水岩石的地方创造人工裂缝系统。如果成功,将这些新技术商业化的公司可以开发出一种清洁的可再生资源,最终仅在美国就可以提供数百兆瓦的电力。
Jenkins说:“能够从这些非常特定的地点转移到任何地方,在那里你在合适的地方拥有所有合适的东西,只要你有足够热的岩石,而不需要钻探太深,这意味着增强的地热能打开更广泛的资源基础。”。
事实证明,这些新技术还有另一个隐藏的优势,但迄今为止一直被忽视。通过人工裂缝系统循环的水包含在不透水的岩石中,这意味着它不会泄漏,这使得这些地热储层成为一种在需求低时储存大量能量,然后在需求高时释放能量的好方法。储存能源并将生产转移到最有价值的时间可提高地热的盈利能力,并作为风力和太阳能等因天气变化的可再生系统的完美补充。
“我们进行了储层模拟,以评估我们正在设计的系统,”位于休斯顿的开发公司Fervo Energy的联合创始人兼首席技术官杰克·诺贝克(Jack Norbeck)说,该公司是这些先进地热技术的先驱。模拟表明,他们的地热系统可以提供稳定的电力或基本负荷,但也可以有效地储存和转移电力,以供日后使用。“我们可以在基本负荷和灵活模式下运行它们,这是地热技术向前迈出的一大步。”
2020年,Fervo的工程师们相信他们的系统会工作。但他们想知道系统的经济性,以及如何将技术最佳地整合到电网中。为了得到答案,费沃找到了普林斯顿零实验室的负责人詹金斯。
“这正是我们喜欢研究的问题,”詹金斯说。“这些实际问题将指导现实世界的决策、投资和创新,但尚未在学术文献中得到回答。因此,这是我们的完美项目。”鈥攕这是研究中的一个开放性问题,答案在今天很重要,因为现实中的人们正在做出关于如何分配他们的时间和金钱以及创新努力的决定。”
Fervo的首席技术官Norbeck为该研究提供了技术支持。他说,这个想法的核心是将地下岩石的热能与上覆岩层的机械能结合起来。Fervo的工程师使用水平钻孔技术,创建了一系列注入和生产钻孔,这些钻孔通过岩石中的许多小通道相互连接,在地下约10000英尺处形成了一个地下储层,在那里可以加热水。技术人员没有立即使用热水驱动涡轮机发电,而是将热水和加压水直接导入水库的渠道网络。流体聚集在储层中,使岩石弯曲,随后释放压力,将热流体驱动到地表,为涡轮机提供电力。
研究人员表明,该系统可用于存储和调度长时间的电力,从几小时到几天鈥攕使其与大多数其他存储技术区别开来。诺贝克说:“效率取决于岩石的地质和其他特征。”。但总的来说,“事实证明,这种形式的储能是最便宜的长时间储能形式之一。”
Wilson Ricks是机械和航空航天工程博士候选人,ZERO Lab的研究员,他领导了这项研究,并表示研究结果超出了他最初的预期。
“这个想法对我来说似乎简单而优雅:你有这个系统,它有这些固有的属性,也许我们可以利用它们来做能量存储。”鈥?“几乎就像蛋糕上的糖霜,”该论文的主要作者Ricks说,“事实证明,它在几乎所有情况下都更具价值,实际上是一个巨大的潜在优势。”
《应用能源》杂志发表了一篇论文,题为“水库内储能对地热发电的灵活调度的价值”。
最初的论文研究了第一个同类工厂的影响。但随着这项技术的大规模部署,它可以改变和改变电价或市场动态,因此该团队现在正在使用长期电力容量规划模型来检查长期均衡结果和对市场的影响。第一项研究的结果帮助Fervo证明了这种新型存储方法的附加值,并获得了能源部高级研究项目机构能源(ARPA-E)的极具竞争力的拨款。最新项目是由Fervo、普林斯顿零实验室、劳伦斯伯克利国家实验室和莱斯大学联合开展的,将涉及人工裂缝网络性能和储层能量存储的现场演示和真实数据收集。
詹金斯说:“这是我们发现非常令人兴奋的事情,你可以用我们的能源系统建模工具回答这类开放性问题,这将直接导致进一步的投资和创新,并有望加速采用有影响力的技术,帮助我们应对气候变化。”。