Table of Contents
La creciente necesidad de estabilidad a la par en un futuro dominado por renovables
El cambio global hacia la energía renovable se está acelerando, impulsado por imperativos climáticos y costos de tecnología de caída. El viento y la energía solar ahora representan una parte de generación de electricidad que crece rápidamente. Sin embargo, su variabilidad inherente a los clientes; el sol no siempre brilla, y el viento no siempre sopla con frecuencias repentinas como la base de cotas.
La energía geotérmica se destaca entre los recursos renovables porque ofrece una fuente continua y de carga de calor desde el interior de la Tierra. Sin embargo, incluso las plantas geotérmicas enfrentan restricciones operativas: normalmente se ejecutan a una salida constante para maximizar la eficiencia, pero la demanda de red fluctúa. La solución se encuentra en acoplamiento de la generación de energía geotérmica con almacenamiento de energía térmica.
Comprender los fundamentos del almacenamiento geotérmico de energía
El almacenamiento geotérmico de energía capta el calor de los depósitos geotérmicos o de procesos industriales y lo almacena en un medio para la conversión posterior a la electricidad. A diferencia de las baterías eléctricas, que almacenan energía en forma electroquímica, el almacenamiento geotérmico conserva energía térmica que puede extraerse horas o incluso días después. El principio central es simple: el exceso de energía térmica se desvía de generación de energía inmediata y en un medio de almacenamiento.
La eficiencia del almacenamiento geotérmico depende de la temperatura de la fuente, el medio de almacenamiento de componentes; su capacidad de calor, y la capacidad de minimizar las pérdidas de calor durante el almacenamiento. Para los sistemas hidrotérmicos convencionales (temperaturas superiores a 150 grados; C), el almacenamiento se consigue a menudo ajustando la producción y las tasas de pozos de inyección. Para los recursos de menor temperatura, las bombas de calor y los depósitos de almacenamiento diseñados se vuelven esenciales.
Principales parámetros de rendimiento
Al evaluar las soluciones de almacenamiento geotérmico, los operadores de rejillas consideran varios parámetros técnicos:
- ]Eficiencia de la pista de aterrizaje (RTE): La relación de la producción de electricidad con la entrada de energía térmica. Los sistemas modernos alcanzan RTE de 60-80%, dependiendo de la tecnología de temperatura de almacenamiento y conversión.
- Capacidad de almacenamiento (MWh-th): La cantidad total de energía térmica que se puede almacenar. El almacenamiento acuífero a gran escala puede contener cientos de GWh-th.
- Duración de la descarga: El tiempo sobre el cual se puede entregar energía almacenada a potencia nominal. El almacenamiento geotérmico suele sobresalir a duraciones de 6-24 horas, con capacidades estacionales emergentes.
- Tiempo de respuesta: La velocidad a la que se puede aumentar la salida. Los sistemas de almacenamiento térmico responden en minutos, similares a las turbinas de gas.
Estos almacenamiento geotérmico de posición métrica como complemento de las baterías de corta duración (que manejan fluctuaciones de segundos a hora) y un competidor para bombear hidro para equilibrar la resistencia media.
Tipos de Soluciones de Almacenamiento de Energía Geotérmica
Se ha desarrollado una diversa cartera de técnicas de almacenamiento, cada una adaptada a diferentes condiciones geológicas, rangos de temperatura y rejilla. Las tres categorías principales son el almacenamiento de energía térmica (TES) en medios de ingeniería, almacenamiento de acuíferos y depósitos y almacenamiento de bombas de calor.
Almacenamiento de energía térmica (TES) en medios de ingeniería
Los sistemas TES utilizan materiales sólidos o líquidos para almacenar calor a altas temperaturas. Los medios de almacenamiento comunes incluyen sales fundidas, cerámica, roca triturada y materiales de cambio de fase. En un contexto geotérmico, el calor se extrae típicamente de la brisa geotérmica y se transfiere al medio de almacenamiento a través de intercambiadores de calor. Cuando se necesita electricidad, el calor almacenado se utiliza para hervir un líquido de trabajo (como un tubob de ciclo orgánico) que conduce.
Una configuración prometedora es el concepto almacenamiento geotérmico avanzado (AGS), donde el exceso de calor de una planta geotérmica se almacena en una cama de roca aislada o una variedad de agujeros de borecha en el subsuelo. El proyecto Heat Earth Energy Storage (HEET) en Suecia demostró almacenamiento de hasta 90 GWh-th en un campo de borebinado, con recie
Aquifer y almacenamiento de reservas
El almacenamiento de energía térmica del acuífero (ATES) utiliza formaciones de agua subterránea natural como depósitos de almacenamiento. Durante períodos de baja demanda de electricidad, las aguas subterráneas se bombean de un pozo frío, calentan con calor geotérmico o electricidad renovable sobrante, y se inyectan en un pozo caliente. El agua calentada se almacena en el acuífero, que actúa como un aislado térmico natural.
Los sistemas ATES son particularmente atractivos porque aprovechan la infraestructura subsuperficie existente y no requieren grandes tanques de superficie. La ciudad de Stuttgart, Alemania, opera un sistema ATES de escala de distrito que proporciona calefacción y refrigeración a edificios mientras que también soporta el equilibrio de la red. En los Estados Unidos, el Departamento de Energía emplea la Oficina de Tecnologías Geotérmicas financia la investigación en
Almacenamiento de bomba de calor (bombas de calor geotérmicas con almacenamiento estacional)
Los sistemas geotérmicos de afeitado, a menudo desplegados para la calefacción y refrigeración de edificios, pueden ser reutilizados para el almacenamiento en escala de red. Una bomba de calor geotérmica (GHP) transfiere calor entre el edificio y la subsuperficie poco profunda. Conectando una gran variedad de agujeros de boreholes a una estación centralizada de bomba de calor, los servicios pueden almacenar exceso de electricidad renovable en el suelo durante el verano y recuperarlo durante el invierno.
La comunidad solar de aterrizaje de Drake en Alberta, Canadá, utiliza un sistema de almacenamiento de energía térmica de agujeros con 144 pozos para almacenar calor solar de verano para uso invernal, reuniendo el 97% de la comunidad de clientes; s demanda de calefacción. Si bien este ejemplo no está directamente ligado a la generación de energía geotérmica, el mismo concepto puede ser escalado para almacenar calor de plantas geotérmicas o de exceso de energía eólica y solar a través de calefacción de resistencia.
Integración de la red: Cómo el almacenamiento geotérmico proporciona servicios de estabilidad
La capacidad de cargar y descargar a la demanda hace que el almacenamiento geotérmico sea una herramienta versátil para los operadores de rejillas. Las siguientes subsecciones detallan los servicios específicos que el almacenamiento geotérmico puede ofrecer.
Equilibrio de carga y afeitado de pico
La demanda de electricidad sigue patrones diarios y estacionales predecibles. Los sistemas de almacenamiento geotérmico pueden cargar durante horas extra (normalmente por la noche o los fines de semana) cuando los precios de electricidad al por mayor son bajos. Durante las horas de la tarde pico, el calor almacenado se convierte en electricidad y se vende a precios premium. Este arbitraje no sólo mejora la economía de la planta geotérmica sino que también reduce la necesidad de iniciar plantas de pico alimentadas por el gas natural.
Regulación de frecuencia y respuesta rápida
La frecuencia de la red debe permanecer dentro de límites estrechos (por ejemplo, 60 Hz ± 0,05 Hz en América del Norte). Desequilibrados repentinos entre la oferta y la demanda causa de desviaciones de frecuencia que pueden dañar el equipo. El almacenamiento geotérmico puede proporcionar respuesta de frecuencia primaria modificando la tasa de producción de calor almacenado a la turbina.
Reserva de spinning y respaldo de contingencia
Cuando un generador grande o líneas de transmisión viaja inesperadamente, la red necesita capacidad de reserva que puede aumentar en 10 minutos. Los sistemas de almacenamiento geotérmico se pueden mantener en un estado de " ; standby caliente, cúspide; donde el medio de almacenamiento está totalmente cargado y la turbina se sincroniza con la red pero operando al mínimo carga.
Capacidad de inicio negro
En un apagón completo de la red, las centrales eléctricas necesitan una fuente externa de electricidad para reiniciar sus propios sistemas. Las plantas geotérmicas con almacenamiento pueden proporcionar ]n arranque en negro capacidad: el calor almacenado puede ser utilizado para generar electricidad sin depender de la energía de la red. Este es un servicio de confiabilidad crítica que pocos recursos renovables pueden ofrecer, haciendo que el almacenamiento geotérmico sea valioso para redes y microgridos.
Beneficios del almacenamiento geotérmico para la gestión de la araña
Más allá de los servicios específicos mencionados anteriormente, el almacenamiento geotérmico de energía ofrece ventajas sistémicas que apoyan la descarbonización más amplia del sector de energía.
Estabilidad y Resiliencia reforzadas
Al absorber el exceso de generación renovable y liberarlo cuando sea necesario, el almacenamiento geotérmico amortigua la volatilidad asociada con el viento y el solar. Una red con almacenamiento geotérmico significativo puede integrar mayores penetraciones de renovables variables sin sacrificar la fiabilidad. Esto es particularmente importante como las regiones apuntan a la electricidad renovable 80-100% para 2040.
Rendimiento reducido en los caimanes de combustible de fósiles
Las plantas de los caimanes son caras para operar y emitir cantidades desproporcionadamente altas de CO2 y contaminantes por MWh porque funcionan sólo unas pocas cientos de horas al año. El almacenamiento geotérmico puede desplazar estas plantas, cortando emisiones y mejorando la calidad del aire local. Un análisis de 2022 por el Equipo de Tareas Limpio encontró que reemplazar 1 GW de los picores de gas natural por almacenamiento geotérmico podría reducir las emisiones anuales de CO2 en 1,5 millones de toneladas.
Ahorros de costos mediante una mayor utilización
Las centrales de energía geotérmica tienen altos costos fijos pero bajos costos variables. El almacenamiento permite que la planta se administre a plena capacidad durante más horas del día, reduciendo así el costo de electricidad nivelado (LCOE). El almacenamiento en sí mismo también se beneficia del bajo costo de calor geotérmico (a menudo menos de $0.02/kWh-th), lo que lo hace más barato que el almacenamiento de baterías durante más de 6 horas.
Sinergias con otras fuentes renovables
El almacenamiento geotérmico puede ser cargado no sólo por calor geotérmico sino también por viento reducido y electricidad solar. Durante los períodos de sobregeneración, los precios de la electricidad pueden caer a cero o negativo. En lugar de reducir la producción renovable, las utilidades pueden utilizar esa electricidad barata para calentadores resistivos de energía o bombas de calor que cobran el almacenamiento geotérmico. Esto crea un sistema híbrido de almacenamiento renovable que mejora la utilización general de activos y reduce las tasas de cota.
Desafíos y obstáculos técnicos
A pesar de su promesa, el despliegue generalizado de almacenamiento geotérmico enfrenta varios obstáculos que requieren una investigación e inversión continuas.
Costos de capital inicial
Los pozos de perforación, la construcción de intercambiadores de calor e instalación de medios de almacenamiento térmico son de gran intensidad de capital. Un sistema RTES de mediano escala (50 MW, 8 horas de almacenamiento) puede costar $150-$250 millones, comparable a los hidroeléctricos bombeados pero con plazos más largos. Sin embargo, se espera que los costos se declinen a medida que las tecnologías de perforación mejoran (el petróleo y gas) y a medida.
Limitaciones Geológicas Específicas del Sitio
No todos los lugares tienen la combinación adecuada de permeabilidad, gradiente de temperatura y composición de roca para un almacenamiento eficiente. ATES requiere acuíferos con suficiente porosidad y bajo valor de agua dulce. El almacenamiento basado en EGS funciona mejor en formaciones de rocas secas calientes, que son más comunes en regiones tectonicamente activas. La caracterización del sitio preliminar mediante encuestas geofísicas y pozos de prueba es esencial pero agrega a los costos de proyecto.
Heat Loss and Efficiency Degradation
Durante largas duraciónes de almacenamiento (semanas a meses), el calor gradualmente se disipa en la roca circundante. En los sistemas ATES, la pérdida de calor puede variar de 10% a 30% dependiendo de las propiedades del acuífero y la geometría de almacenamiento. Se están desarrollando materiales de aislamiento avanzados y diseños optimizados para mitigar estas pérdidas. Además, el ciclismo térmico puede causar estrés mecánico en rocas cercanas al pozo, potencialmente fractando la formación y afectando durante décadas de almacenamiento.
Barreras reguladoras y permisos
La inyección y el almacenamiento subterráneo de líquidos calentados está sujeto a normas ambientales en virtud de leyes como la Ley de Aguas Seguras (en los Estados Unidos) y la Directiva Marco de Agua de la UE. Permitir llevar 3-7 años, y obtener aceptación comunitaria requiere una comunicación transparente sobre el riesgo sísmico y la protección de las aguas subterráneas. Muchas jurisdicciones carecen de una clasificación clara del almacenamiento geotérmico como generación o almacenamiento de energía, creando incertidumbre para los desarrolladores de proyectos.
Proyectos y estudios de casos en el mundo real
Varios proyectos pioneros demuestran la viabilidad técnica y la viabilidad económica del almacenamiento geotérmico.
Los Geysers, California
El campo geotérmico de Geysers en el norte de California es el complejo geotérmico más grande del mundo, con una capacidad instalada de más de 1,5 GW. En 2018, Calpine Corporation implementó un programa de mejora de la inyección que funciona como una forma de almacenamiento: durante períodos de baja demanda, el exceso de vapor se desvía y se inyecta en pozos de demanda, la flexibilidad de aumento de presión
Krafla Geothermal Power Plant, Islandia
Islandia Ørquo;s Krafla plant (120 MW) utiliza un sistema de almacenamiento de energía térmica de pozos conectado a una red de calefacción de distrito. Durante el verano cuando la demanda de calefacción es baja, el calor geotérmico sobrante se almacena en un campo de agujeros profundos de 300 metros que contiene 14 agujeros de presión. En invierno, el calor almacenado se extrae para suministrar agua caliente para la ciudad cercana del concepto de respaldo de Akurey.
Proyecto piloto en Cornwall, Reino Unido
El proyecto United Downs Deep Geothermal Power en Cornwall está perforando pozos a 5 km de profundidad para acceder a rocas de granito caliente. Un componente RTES utilizará una red de fracturas para almacenar el exceso de calor generado durante períodos de baja demanda. El proyecto está cofinanciado por el gobierno británico Rockrsquo;s Energy Entrepreneurs Fund y se espera que sea operativo para 2025 datos de almacenamiento.
Future Directions and Research
Varias vías de investigación prometen reducir costos, mejorar la eficiencia y ampliar la aplicabilidad geográfica del almacenamiento geotérmico.
Ingeniería de reserva avanzada
Los investigadores están desarrollando sofisticados modelos de procesos termo-hidráulico-mecánico-químicos (THMC) en depósitos de almacenamiento. algoritmos de aprendizaje automático pueden optimizar los horarios de inyección y producción para maximizar la recuperación de calor al minimizar la sísmica inducida. El DOE implicarsquo;s FORGE (Observador de investigación de geotérmica) sitio en Utah es un centro de pruebas para tales técnicas.
Sistemas híbridos con energía solar concentrada
Combinando almacenamiento geotérmico con centrales de energía solar concentrada (CSP) crea un "ldquo;solar-geothermal recíprocardquo; híbrido que comparte infraestructura de almacenamiento térmico. Durante horas soleadas, CSP calienta el medio de almacenamiento; calor geotérmico mantiene la temperatura durante la noche. Esta sinergia aumenta el factor de capacidad para √90% y reduce el costo de almacenamiento mediante la difusión de activos fijos sobre dos fuentes de energía.
Almacenamiento de uso directo para procesos industriales
El almacenamiento geotérmico también puede servir cargas térmicas industriales (por ejemplo, procesamiento de alimentos, fabricación química) que requieren calor constante de alta temperatura. Al almacenar calor cuando los precios de electricidad son bajos, las instalaciones industriales pueden reducir sus costos de energía y aliviar el estrés en la red. El proyecto DESTRESS financiado por la UE está demostrando este concepto en varios sitios industriales de toda Europa.
Almacenamiento de energía estacional para regiones de alta altitud
Países como Canadá, Suecia y Finlandia tienen una variación estacional extrema en la disponibilidad solar. El almacenamiento de energía térmica de gran escala de pozos (BTES) cargado por energía solar de verano puede proporcionar calefacción de invierno e incluso generación de energía eléctrica. El Laboratorio Nacional de Energía Renovable está colaborando con socios finlandeses para diseñar un sistema de 100 GWh-th BTES que serviría a un distrito de 10.000 viviendas.
Conclusión
El almacenamiento geotérmico de energía representa una pieza crítica que falta en la transición a una red totalmente renovable. Al permitir una energía flexible y despachada de un recurso de base, se aborda la intermitencia del viento y el solar, al tiempo que proporciona servicios de estabilidad esenciales como regulación de frecuencias, reserva de spinning y capacidad de inicio negro. La diversidad de tecnologías de almacenamiento situadas en tanques de sal fundida a acuíferos subterráneos a campos de pozos cercanos.
Si bien siguen existiendo desafíos, los proyectos piloto en curso e iniciativas de investigación están reduciendo constantemente los costos y mejorando el rendimiento. Con políticas de apoyo que reconocen el valor único del almacenamiento de larga duración, el almacenamiento geotérmico puede lograr la madurez comercial en el próximo decenio. Los operadores de arrastre y los planificadores de utilidades deben comenzar a incorporar el almacenamiento geotérmico en sus carteras de recursos ahora, aprovechando su capacidad para equilibrar las cargas, aumentar la resiliencia y reducir las emisiones.