Edistyminen lämpöenergian varastointiratkaisuissa geotermisen lämmön avulla

Geoterminen energia on jo pitkään tunnustettu vakaaksi, vähähiiliseksi resurssiksi. Yksi sen historiallisista rajoituksista on ollut lämmöntuotannon ja huippukysynnän välinen epäsuhta. Geotermisen energian varastoinnin (TES) viimeaikainen kehitys on poistanut tämän esteen, mikä mahdollistaa sen, että yleishyödylliset laitokset, teollisuuslaitokset ja kaukolämpöverkot voivat tarvittaessa kaapata ylijäämälämmön ja vapauttaa sen juuri silloin, kun se on tarpeen. Nämä kehityssuunnat ovat kriittisiä, kun verkkoihin otetaan vastaan vaihtelevampia uusiutuvia energialähteitä ja kun lämmitys ja jäähdytys muodostavat lähes puolet maailmanlaajuisesta energian loppukulutuksesta.

Miten geoterminen lämpöenergia varastointi toimii

Geoterminen TES varastoi geotermistä energiaa joko luonnossa esiintyvää kuumaa vettä/höyryä tai suljetun kierron kautta uutta lämpöä myöhempää käyttöä varten. Tämä poistaa energiantuotannon kulutuksesta, mahdollistaa jatkuvan ja säteilevän lämmönsiirron myös silloin, kun geoterminen tuotanto vaihtelee tai kysyntäpiikit. Periaate on yksinkertainen: ruiskuttaa lämpöä pinnanalaiseen varastoon tai varastointialustaan matalan kysynnän aikana, sitten poimia se myöhemmin. Käytännössä lämmön talteenoton, varaston eheyden ja kustannusten tekniset haasteet ratkaistaan innovaation avulla.

Kolme ensisijaista varastointikokoonpanoa hallitsevat maisemaa: akviferin lämpöenergian varastointi (ATES), porakaivon lämpöenergian varastointi (BTES) ja luola- tai kaivosvarasto. Kummallakin on erilliset geologiset vaatimukset ja suorituskykyominaisuudet.

Akviferin lämpöenergian varastointi (ATES)

ATES käyttää luontaisia pohjavesiakviferejä sekä varastointivälineenä että lämmönvaihtoavana. Tyypillisesti kaivoja porataan lämpimän veden injektointiin latauksen aikana, toinen poistoon purkausvaiheessa. Akvifer itse tuottaa varaston tilavuus. Viimeaikaiset edistysaskeleet sisältävät suljettuja silmukkaanates-malleja, jotka minimoivat geokemialliset reaktiot, kuten skaalauksen ja korroosion, sekä integroitujen ohjausalgoritmien integrointia, joka optimoi injektio-/uuttosyklit. Alankomaissa, jossa ATES-järjestelmiä käytetään mittakaavassa, uudet hankkeet saavuttavat rutiininomaisesti kausittaisen varastoinnin tehokkuuden 70.

Borereikä Lämpöenergian varastointi (BTES)

BTES käyttää pystyporakaivojen elementtejä.Todennäköisesti 100-300 metriä syvä. Täytettynä lämmönvaihtonesteellä, joka kiertää U-silmukkaputkiston läpi. Ympäröivä kivi tai maaperä toimii varastointivälineenä. Korkean lämpöjohtavuuden laastien ja grafiitti-parannettujen taustatäyttömateriaalien innovaatiot ovat parantaneet merkittävästi lämmönsiirtonopeutta. Suuremmat BTES-kentät, kuten Drake Landing Solar Communityn Kanadassa (joka varastoi aurinkolämpöä kausittain), osoittavat, että vastaavia periaatteita sovelletaan suoraan geotermiseen lämmön varastointiin, jossa on porakaivoväli ja syvyys optimoitu paikkakohtakohta-spesifiseen geologiaan.

Rock Cavern ja Pit Storage

Jos akviferit eivät sovellu, kiveen tai vuorattuihin kuoppiin louhitut rakennelmat - voivat varastoida kuumaa vettä tai höyryä korkeissa lämpötiloissa (jopa 200 °C). Eristettyjen betonivuorien ja joustavan kalvoteknologian kehitys on vähentänyt lämpöhäviön alle 1 prosenttiin päivässä, mikä tekee pitkäaikaisvaraston elinkelpoiseksi. Theißin itävaltalainen kaupunki on pitänyt 50 000-m3 kaivosvarastoa, joka on yhdistetty geotermiseen kaukolämpöverkkoon vuodesta 2019 lähtien ja varastoinut kesän ylijäämää talvikysyntään.

Viimeaikaiset teknologiset läpimurrot

Kolme innovaatioaluetta ovat suorituskyvyn parantaminen ja kustannusten vähentäminen kaikissa varastointityypeissä: lämmönvaihtimien parantaminen, älykkään seurannan ja valvonnan parantaminen sekä hybridimallit, jotka yhdistävät geotermisen sähköteknisen energian ja toisiaan täydentävän teknologian.

Parannettu Borehole Heat Exchangers

Tavanomaiset polyetyleeni-U-putket korvataan koaksiaalimalleilla ja lämpöparannetuilla materiaaleilla. Ruostumattoman teräksen aaltoputket esimerkiksi lisäävät turbulenssia ja lämmönsiirtoa skaalauksen aikana. []Koaksiaalilämmönvaihtimet[] vähentävät paineenlaskua ja voivat parantaa lämpösaastetta 20.30% verrattuna vakioituihin kaksois-U-kokoonpanoihin. Valmistajat myös siirtävät valmiiksi koottuja, tehdastestattuja porausreikäyksiköitä, jotka leikkaavat asennusaikaa ja vähentävät valumisvirheiden riskiä.

Älykkäät seuranta- ja valvontajärjestelmät

Jaettu lämpötilatunnistus (DTS) käyttäen porakaivon koteloihin asennettuja kuituoptisia kaapeleita tarjoaa nyt reaaliaikaisia lämpötilaprofiileja koko syvyydessä. Yhdistettynä esineiden internetin (IoT) anturien kanssa virtausnopeuden, paineen ja veden kemian, käyttäjät voivat säätää lataus- ja purkuaikatauluja dynaamisesti. Koneenoppimisalgoritmit ennustavat lämpökuormat ja optimoivat pumpun nopeuden, venttiilin asennot ja ruiskutuslämpötilat. Tuloksena on 10...155% parannus järjestelmän kokonaistehokkuudessa sekä suorituskyvyn heikkenemisen varhaisessa vaiheessa havaitseminen.

Hybridivarastoratkaisut

Esimerkiksi järjestelmä saattaa säilyttää keskilämpötilaista lämpöä (50...90 °C) tilalämmityksen kimmokkeessa, samalla kun se käyttää sulaa suolasilmukkaa tai vaihevaihtomateriaaleja korkean lämpötilan teollisuuden lämmön- tai sähköntuotannossa. [Kansainvälinen uusiutuvan energian virasto (IRENA) [] on korostanut hybridien geotermisen sähkön- ja lämmönporausjärjestelmän kustannustehokkaaksi tieksi 300 °C+ varastointiin. Saksassa ja Islannissa varhaiset pilottit osoittavat yli 85 prosentin kiertomatkan tehokkuutta.

Edistyneen geotermisen teotermisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisten ominaisuuksien tärkeimmät edut

Nämä teknologiset edistysaskeleet johtavat mitattavissa oleviin etuihin energiahankkeiden kehittäjille, yleishyödyllisille laitoksille ja loppukäyttäjille.

Tehokkuuden ja kapasiteetin kasvukerroin

Varastoimalla ylilämpöä alhaisen kysynnän aikoina geoterminen laitos voi toimia korkeammalla kapasiteettikertoimella . Usein se ylittää 90 prosenttia sen sijaan, että sitä rajoitettaisiin. Kausivarastointi mahdollistaa kesällä tuotetun lämmön tyydyttämisen talvilämpökuormalla, jolloin peruskuormasähkö voidaan tehokkaasti muuttaa siirrettäväksi. Nykyaikaisten ATES- ja BTES-järjestelmien tehokkuus on nykyisin verrattavissa perinteisiin maakaasukäyttöisiin lämpölaitoksiin.

Luotettavuus- ja verkkopalvelut

Geoterminen lämpötekniikka voi tarjota kaukolämpöverkkoihin lujaa ja joustavaa kapasiteettia, mikä vähentää riippuvuutta huippukuormaisista kaasukattiloista. Kylmässä ilmastossa varastoitu lämpö voidaan vapauttaa useiden päivien aikana kattamaan äärimmäisiä sääilmiöitä. Varastoitu geoterminen lämpö voi tukea myös kysyntäpuolen reagointiohjelmia, jotka auttavat tasapainottamaan sähköverkkoja, joissa on suuri uusiutuvan energian levinneisyys. [U.S. Energiaministeriö[ toteaa, että geoterminen lämpöpumppu yhdistettynä TES:ään voi vähentää sähkön kysyntää jopa 50%.

Kustannusten vähentäminen järjestelmän aikana

Vaikka poraus-, lämmönvaihtimien ja valvontajärjestelmien alkupääomakustannukset ovat edelleen merkittäviä, laitteiden elinkaari on pidempi (40 vuotta hyvin ylläpidetyille porausreikäjärjestelmille) ja kehittyneiden materiaalien huoltokustannukset ovat pienemmät kuin varastoidun lämmön tasoitetut kustannukset. Euroopan geotermisen energian neuvosto raportoi, että yhdessä vältettyjen polttoainehankintojen operatiivisen säästön kanssa edistyneellä geotermisellä lämpöenergialla voidaan saavuttaa 5 1078 vuoden takaisinmaksuajat kaukolämpösovelluksille.

Ympäristö- ja sääntelyedut

Geoterminen TES poistaa suorassa palamisessa syntyvät päästöt ja vähentää lämmön hiilijalanjälkeä 70..90% verrattuna maakaasuun. Se myös estää pintavarastoon liittyviä maankäytön konflikteja ja voidaan käyttää olemassa olevan infrastruktuurin alla. Monet lainkäyttöalueet, kuten Saksa ja Alankomaat, sisällyttävät nyt maanalaisen lämpövaraston uusiutuvan lämmön kannustimiin ja vihreisiin velkakirjoihin.

Haasteet ja polku eteenpäin

Vahvasta vauhdista huolimatta merkittäviä esteitä on edelleen. Geologinen vaihtelu tarkoittaa, että jokainen laitos vaatii perusteellista tutkimustoimintaa.Seismiset tutkimukset, testausporaukset ja hydrogeologiset mallit.Kuukauden lisääminen projektien aikavirtoihin. Maanalaisen lämpövarastoinnin sääntelypuitteet kehittyvät edelleen, erityisesti maanalaisen huokostilan ja pohjaveden suojelun osalta. Porauksen kustannukset ovat edelleen hallitseva pääomakustannus; uusia öljyn ja kaasun lainaksiotettuja poraustekniikoita, kuten kelattuja putkia ja parannettuja porabiittejä, mukautetaan alhaisempiin kustannuksiin.

Tutkimuksen painopisteinä ovat standardoitujen modulaaristen porakaivojen rakennemallien kehittäminen, lämpöretention parantaminen pitkällä aikavälillä heikossa läpäisevyydessä sekä avoimen lähdekoodin simulaatiotyökalujen luominen tarkkoja suorituskyvyn ennusteita varten. [Kansainvälinen geoterminen yhdistys (IGA) on perustanut lämpövarastoja käsittelevän työryhmän koordinoimaan näitä ponnisteluja.

Tulevaisuuden näkymät ja skaalautuminen

Bloombergin uuden energiarahoitusjärjestelmän markkinaennusteiden mukaan geoterminen TES-kapasiteetti voisi kasvaa nykyisestä noin 2 GWth:stä 25 GWth:iin vuoteen 2035 mennessä, mikä johtui suurelta osin kaukolämmityksestä Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa sekä teollisuuden lämmönkysynnästä Kiinassa. Espanjassa ja Yhdysvalloissa on jo käynnissä pilottihankkeita, joissa yhdistetään geoterminen TES ja keskitetty aurinkoenergia sekä biomassa.

Digitaalisen ystävyystoiminnan edistyminen . jossa reaaliaikaista virtuaalista tallennusjärjestelmää päivitetään jatkuvasti sensoritiedoilla.Näin operaattorit voivat optimoida lataus-/latausaikataulut ja ennakoida huoltotarpeita. Tekoälyllä varustetun geotermisen teotermisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisen teoreettisten teosten yhdistäminen voisi lisätä tehokkuutta ja tehdä teknologiasta kilpailukykyisen litium-ion-paristojen kanssa vuorovaikutteisten lämpökuorman siirtämiseksi murto-osuudella varastoidun kapasiteetin kilowattituntia kohden.

Lopulta geotermisen lämpöenergian varastoinnin kypsyminen on tärkeä osa hiilestä irtautumista koskevaa palapeliä.Tietoa lämmön halpojen, mittakaavassa, maan alla, jo todistettua teknologiaa käyttäen. Jatkuvan yhteistyön avulla tutkimuslaitosten, energiayhtiöiden ja poliittisten päättäjien välillä geoterminen TES-sektori on asetettu maailmanlaajuisen puhtaan energian siirtymisen kulmakiveksi.