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Le besoin croissant de stabilité du réseau dans un avenir à forte intensité de sources d'énergie renouvelables

L'énergie éolienne et solaire représente maintenant une part croissante de la production d'électricité. Cependant, leur variabilité inhérente et leur écoulement; le soleil ne brille pas toujours, et le vent ne souffle pas toujours; crée des défis importants pour les exploitants de réseaux. Sans un stockage adéquat, la production excédentaire pendant les périodes ensoleillées ou venteuses est gaspillée, tandis que des baisses soudaines de la production peuvent entraîner des déviations de fréquence, une instabilité de tension et, dans des cas extrêmes, des pannes de courant.

L'énergie géothermique se distingue par son apport continu en chaleur de l'intérieur de la Terre. Pourtant, même les centrales géothermiques sont confrontées à des contraintes opérationnelles : elles sont généralement gérées à une production constante pour maximiser l'efficacité, mais la demande du réseau fluctue. La solution consiste à combiner la production d'énergie géothermique et le stockage thermique. En découplant la production de chaleur de la production d'électricité, les systèmes de stockage géothermique peuvent absorber l'énergie thermique excédentaire lorsque la demande est faible et la libérer pendant les périodes de pointe.

Comprendre les fondamentaux du stockage de l'énergie géothermique

Contrairement aux batteries électriques, qui stockent l'énergie sous forme électrochimique, le stockage géothermique conserve l'énergie thermique qui peut être puisée sur des heures ou même des jours plus tard. Le principe fondamental est simple : l'énergie thermique excédentaire est détournée de la production immédiate d'énergie et dans un milieu de stockage. Lorsque la demande d'électricité augmente, la chaleur stockée est extraite et utilisée pour conduire des turbines.

Pour les systèmes hydrothermaux classiques (températures supérieures à 150 et deg;C), le stockage est souvent obtenu en adaptant les taux de production et de puits d'injection. Pour les ressources à basse température, les pompes à chaleur et les réservoirs de stockage aménagés deviennent essentiels. Le coût de l'électricité stockée à partir du stockage géothermique est déjà compétitif par rapport aux batteries au lithium-ion pour une durée de 4 à 12 heures et devient nettement moins cher pour des durées plus longues, ce qui le rend idéal pour l'équilibre saisonnier.

Principaux critères de performance

Lors de l'évaluation des solutions de stockage géothermique, les opérateurs de réseau prennent en compte plusieurs paramètres techniques:

  • Efficacité de la bande passante (RTE):[ Le rapport de la production d'électricité à l'entrée d'énergie thermique.
  • Capacité de stockage (MWh-th):[ La quantité totale d'énergie thermique qui peut être stockée. Le stockage à grande échelle de l'aquifère peut contenir des centaines de GWh-th.
  • Durée de la décharge:[ Le temps au cours duquel l'énergie stockée peut être livrée à la puissance nominale. Le stockage géothermique excelle généralement à des durées de 6 à 24 heures, avec des capacités saisonnières qui émergent.
  • Temps de réponse:[ Vitesse à laquelle la sortie peut être montée. Les systèmes de stockage thermique réagissent en quelques minutes, comme les turbines à gaz.

Ces mesures positionnent le stockage géothermique comme un complément aux batteries de courte durée (qui traitent les fluctuations de secondes à heures) et un concurrent à pomper l'hydro pour l'équilibrage de moyenne durée.

Types de solutions de stockage d'énergie géothermique

Un éventail diversifié de techniques de stockage a été mis au point, chacune étant adaptée à des conditions géologiques, des plages de température et des exigences du réseau, les trois catégories principales étant le stockage de l'énergie thermique (TES) dans des milieux techniques, le stockage de l'aquifère et du réservoir et le stockage à base de pompes à chaleur.

Stockage d'énergie thermique (TES) dans les milieux de génie

Les systèmes TES utilisent des matériaux solides ou liquides pour stocker la chaleur à haute température. Les milieux de stockage communs comprennent les sels fondus, la céramique, la roche concassée et les matériaux de changement de phase. Dans un contexte géothermique, la chaleur est généralement extraite de la saumure géothermique et transférée au milieu de stockage par échangeurs de chaleur.

Le concept de stockage géothermique avancé (AGS)[, où la chaleur excédentaire d'une installation géothermique est stockée dans un lit de roche isolé ou dans un ensemble de trous de forage dans la sous-surface. Le projet de stockage de l'énergie thermique de la Terre (HEET) en Suède a démontré un stockage allant jusqu'à 90 GWh-th dans un champ de forage, avec des rendements de récupération supérieurs à 70 %.

Stockage des aquifères et des réservoirs

Pendant les périodes de faible demande d'électricité, les eaux souterraines sont pompées à partir d'un puits froid, chauffées à l'aide de chaleur géothermique ou d'électricité renouvelable excédentaire, puis injectées dans un puits chaud. L'eau chauffée est stockée dans l'aquifère, qui agit comme un isolant thermique naturel. Lorsque la demande augmente, la direction du flux est inversée et l'eau chaude est extraite pour produire de l'énergie.

Aux États-Unis, le Department of Energy’s Geothermal Technologies Office finance des recherches sur le stockage d'énergie thermique du réservoir (RTE), qui utilise des techniques améliorées de systèmes géothermiques (EGS) pour créer des fractures artificielles dans la roche sèche chaude. En circulant de l'eau à travers ces fractures pendant la charge et en extrayant ultérieurement le fluide chauffé pour la production d'électricité, le RTS peut atteindre des capacités de stockage de dizaines de GWh.

Stockage de la pompe à chaleur (pompes à chaleur géothermiques avec stockage saisonnier)

Les systèmes géothermiques peu profonds, souvent utilisés pour le chauffage et le refroidissement des bâtiments, peuvent être réutilisés pour le stockage à l'échelle du réseau. Une pompe à chaleur géothermique (GHP) transfère la chaleur entre le bâtiment et le sous-sol peu profond. En reliant un grand nombre de forages à une station de pompe à chaleur centralisée, les services publics peuvent stocker l'électricité renouvelable excédentaire comme chaleur dans le sol pendant l'été et la récupérer pendant l'hiver.

La Communauté solaire Drake Landing, en Alberta, au Canada, utilise un système de stockage d'énergie thermique (SCE) de forage avec 144 forages pour stocker la chaleur solaire d'été pour l'hiver, ce qui répond à 97 % de la demande de chauffage de la collectivité. Bien que cet exemple ne soit pas directement lié à la production d'énergie géothermique, le même concept peut être étendu pour stocker la chaleur des centrales géothermiques ou de l'électricité solaire et éolienne excédentaire par des éléments de chauffage résistifs.

Intégration de la grille : Comment le stockage géothermique fournit des services de stabilité

La capacité de charger et de décharger sur demande fait du stockage géothermique un outil polyvalent pour les opérateurs de grille. Les sous-sections suivantes détaillent les services spécifiques que le stockage géothermique peut fournir.

Équilibre de charge et rasage de pic

La demande d'électricité suit des tendances quotidiennes et saisonnières prévisibles.Les systèmes de stockage géothermiques peuvent être facturés pendant les heures creuses (généralement la nuit ou le week-end) lorsque les prix de gros de l'électricité sont bas.Lors des heures de pointe de l'après-midi, la chaleur stockée est convertie en électricité et vendue à des prix élevés.L'arbitrage permet non seulement d'améliorer l'économie de l'usine géothermique, mais réduit également la nécessité de démarrer des centrales de pointe alimentées par du gaz naturel.

Régulation de la fréquence et réponse rapide

La fréquence de la grille doit demeurer à l'intérieur de limites étroites (p. ex. 60 Hz ± 0,05 Hz en Amérique du Nord). Des déséquilibres soudains entre l'offre et la demande entraînent des écarts de fréquence qui peuvent endommager l'équipement. Le stockage géothermique peut fournir une réponse de fréquence primaire en modulant la vitesse à laquelle la chaleur stockée est livrée à la turbine.

Rationalisation des réserves et sauvegarde des éventualités

Lorsqu'un grand générateur ou une ligne de transmission voyage de façon inattendue, le réseau a besoin d'une capacité de réserve qui peut se lever en moins de 10 minutes. Les systèmes de stockage géothermique peuvent être maintenus dans un état de veille chaude, où le support de stockage est entièrement chargé et la turbine est synchronisée au réseau mais fonctionnant à une charge minimale. Lors d'un événement d'urgence, la turbine peut être montée en courant en quelques secondes à minutes. Ce service commande des prix élevés sur les marchés des services auxiliaires.

Capacité de démarrage noire

Dans un réseau complet, les centrales ont besoin d'une source externe d'électricité pour redémarrer leurs propres systèmes. Les centrales géothermiques avec stockage peuvent fournir une capacité de démarrage noir: la chaleur stockée peut être utilisée pour produire de l'électricité sans compter sur l'énergie du réseau.

Avantages du stockage géothermique pour la gestion du réseau

Au-delà des services spécifiques décrits ci-dessus, le stockage de l'énergie géothermique offre des avantages systémiques qui soutiennent la décarbonisation plus large du secteur de l'énergie.

Stabilité et résilience accrues du réseau

En absorbant les excédents de production et en les libérant au besoin, le stockage géothermique amortit la volatilité associée au vent et au solaire. Un réseau avec un important stockage géothermique peut intégrer des pénétrations plus élevées de sources d'énergie renouvelables variables sans sacrifier la fiabilité.

Réduction de la dépendance aux pics de carburant fossiles

Les centrales de captage coûtent cher pour exploiter et émettre des quantités disproportionnées de CO2 et de polluants par MWh parce qu'elles ne fonctionnent que quelques centaines d'heures par an. Le stockage géothermique peut déplacer ces centrales, réduisant les émissions et améliorant la qualité de l'air local.

Économies réalisées grâce à une utilisation accrue

L'ajout de stockage permet d'exploiter la centrale à pleine capacité pendant plus d'heures de la journée, réduisant ainsi le coût de l'électricité (LCOE) à un niveau plus bas. Le stockage lui-même bénéficie également du faible coût de la chaleur géothermique (souvent moins de 0,02/kWh-th), ce qui la rend moins chère que le stockage de batterie pendant plus de 6 heures.

Synergies avec d'autres sources renouvelables

Le stockage géothermique peut être facturé non seulement par la chaleur géothermique, mais aussi par l'énergie éolienne et solaire réduite. Pendant les périodes de surgénération, les prix de l'électricité peuvent tomber à zéro ou négatif. Plutôt que de réduire la production d'énergie renouvelable, les services publics peuvent utiliser cette électricité bon marché pour alimenter les chauffe- chaleurs résistives ou les pompes à chaleur qui chargent le stockage géothermique.

Défis et obstacles techniques

Malgré ses promesses, le déploiement généralisé du stockage géothermique se heurte à plusieurs obstacles qui exigent des recherches et des investissements continus.

Coûts d'investissement initiaux élevés

Un système RTES de moyenne envergure (50 MW, 8 heures de stockage) peut coûter entre 150 et 250 millions de dollars, comme l'hydroélectricité pompée, mais avec des délais plus longs. Cependant, les coûts devraient diminuer à mesure que les technologies de forage s'améliorent (emprunts de pétrole et de gaz) et que les échelles de fabrication augmentent.

Limitations géologiques spécifiques au site

Chaque emplacement n'a pas la bonne combinaison de perméabilité, de gradient de température et de composition rocheuse pour un stockage efficace. ATES nécessite des aquifères avec une porosité suffisante et une faible valeur en eau douce. EGS-based stockage fonctionne mieux dans les formations de roches sèches chaudes, qui sont plus fréquentes dans les régions tectoniquement actives.

Perte de chaleur et dégradation de l'efficacité

Dans les systèmes ATES, la perte de chaleur peut varier de 10% à 30% selon les propriétés de l'aquifère et la géométrie du stockage. Des matériaux d'isolation avancés et des conceptions optimisées de puits sont en cours de développement pour atténuer ces pertes. De plus, le cycle thermique peut causer des contraintes mécaniques dans les roches près du puits, potentiellement fracturant la formation et affectant la capacité de stockage au cours de décennies d'exploitation.

Obstacles à la réglementation et aux permis

L'injection et le stockage souterrains de fluides chauffés sont soumis à des réglementations environnementales en vertu de lois telles que la Safe Drinking Water Act (aux États-Unis) et la Directive-cadre de l'UE sur l'eau.

Projets et études de cas dans le monde réel

Plusieurs projets novateurs démontrent la faisabilité technique et la viabilité économique du stockage géothermique.

Les Geysers, Californie

Le champ géothermique Geysers en Californie du Nord est le plus grand complexe géothermique au monde, avec une capacité installée de plus de 1,5 GW. En 2018, Calpine Corporation a mis en œuvre un programme d'amélioration de la réinjection qui fonctionne comme une forme de stockage : pendant les périodes de faible demande, l'excès de vapeur est détourné et injecté dans des puits appauvris, pressurisant le réservoir.

Krafla Centrale géothermique, Islande

L'usine Iceland&rsquo (120 MW) utilise un système de stockage thermique de trous de forage [ raccordé à un réseau de chauffage urbain. L'été, lorsque la demande de chauffage est faible, l'excédent de chaleur géothermique est stocké dans un champ de forage de 300 mètres de profondeur contenant 14 trous de forage. En hiver, la chaleur stockée est extraite pour alimenter la ville voisine d'Akureyri. Ce stockage saisonnier réduit la nécessité d'une source de chaleur auxiliaire de secours et fournit un flux de revenus supplémentaire, démontrant le concept de stockage géothermique polyvalent.

Projet pilote à Cornwall, Royaume-Uni

Le projet de United Downs Deep Geothermal Power à Cornwall fore des puits à 5 km de profondeur pour accéder aux roches de granit chaud.Le projet prévoit un volet de RTES qui permettra de stocker l'excès de chaleur généré pendant les périodes de faible demande. Le projet est cofinancé par le gouvernement du Royaume-Uni et devrait être opérationnel d'ici 2025. Il fournira des données sur le stockage de longue durée dans un environnement de roche cristalline, en vue de faciliter les déploiements commerciaux futurs.

Orientations futures et recherche

Plusieurs pistes de recherche promettent de réduire les coûts, d'améliorer l'efficacité et d'élargir l'applicabilité géographique du stockage géothermique.

Génie avancé du réservoir

Les chercheurs mettent au point des modèles sophistiqués de procédés thermiques, hydrauliques, mécaniques et chimiques (THMC) dans les réservoirs de stockage. Les algorithmes d'apprentissage automatique peuvent optimiser les programmes d'injection et de production pour maximiser la récupération de chaleur tout en minimisant la sismicité induite.

Systèmes hybrides avec énergie solaire concentrée

La combinaison du stockage géothermique et des centrales à énergie solaire concentrée (PSC) crée un hybride entre la géothermie et la géothermie, qui partage l'infrastructure de stockage thermique. Pendant les heures de soleil, le PSC chauffe le milieu de stockage; la chaleur géothermique maintient la température pendant la nuit.

Stockage à usage direct pour les procédés industriels

Le stockage géothermique peut également servir de charges thermiques industrielles (par exemple, transformation des aliments, fabrication de produits chimiques) qui nécessitent une chaleur à haute température constante.En stockant la chaleur lorsque les prix de l'électricité sont bas, les installations industrielles peuvent réduire leurs coûts énergétiques et soulager le stress sur le réseau.

Stockage d'énergie saisonnier pour les régions à haute latitude

Les pays comme le Canada, la Suède et la Finlande ont des variations saisonnières extrêmes dans la disponibilité de l'énergie solaire. Le stockage d'énergie thermique à grande échelle des forages (BTES) facturé par l'énergie solaire estivale peut fournir le chauffage hivernal et même la production d'énergie.

Conclusion

Le stockage de l'énergie géothermique constitue un élément essentiel manquant dans la transition vers un réseau entièrement renouvelable. En permettant une alimentation flexible et expéditable à partir d'une ressource de base, il s'attaque à l'intermittence du vent et du solaire tout en fournissant des services de stabilité essentiels tels que la régulation de la fréquence, la réserve tournante et la capacité de démarrage noir.

Les projets pilotes et les initiatives de recherche en cours réduisent constamment les coûts et améliorent la performance.Avec des politiques d'appui qui reconnaissent la valeur unique du stockage de longue durée, le stockage géothermique peut atteindre la maturité commerciale au cours de la prochaine décennie.Les exploitants de réseaux et les planificateurs de services publics devraient commencer à intégrer le stockage géothermique dans leurs portefeuilles de ressources dès maintenant, en tirant parti de sa capacité d'équilibrer les charges, d'améliorer la résilience et de réduire les émissions.