Table of Contents

הגידול צריך את יכולתה של גריד בעתיד רב-החדש

השינוי הגלובלי לאנרגיה מתחדשת הוא מאיץ, מונע על ידי דרישות אקלים וירידה עלויות הטכנולוגיה. הרוח וכוח השמש עכשיו לקחת בחשבון נתח גדל במהירות של ייצור חשמל.עם זאת, את הכדאיות שלהם ושפל; השמש לא תמיד זורחת, ואת הרוח לא תמיד מספקת פתרונות פחמן ותחמושת; יוצר אתגרים משמעותיים עבור מפעילי רשת.

אנרגיה גיאותרמית בולטת בין משאבים מתחדשים כי היא מציעה אספקה רציפה, בסיס של חום מן הפנים של כדור הארץ, אבל אפילו צמחים גיאותרמית להתמודד עם מגבלות תפעוליות: הם בדרך כלל לרוץ על פלט קבוע כדי למקסם את היעילות, אבל הביקוש לרשת משתנה.הפתרון הוא באזורים הפיכה של אנרגיה גיאותרמית עם אחסון אנרגיה גיאומטרי.

הבנה של קרנות אחסון אנרגיה גיאותרמית

אחסון אנרגיה ג'ותרמאל לוכד חום ממאגרי גיאותרמיים או מתהליכים תעשייתיים ומאחסן אותו במדיום להמרות מאוחרת יותר לחשמל.בניגוד לסוללות חשמליות, אשר מאחסנות אנרגיה בצורת אלקטרו-כימית, אחסון גיאותרמאל שומר על אנרגיה תרמית שניתן להימשך שעות או אפילו ימים מאוחר יותר.עקרון הליבה הוא פשוט: אנרגיה תרמית מוזנחת מדור חשמל מיידי ולאזור כאשר הביקוש עולה, החום, הוא מאוחסן, הוא משמש כדי להובלת טורבינות.

היעילות של אחסון גיאותרמאל תלויה בטמפרטורה של המקור, אמצעי האחסון וקיבולת החום; ואת היכולת למזער את אובדן החום במהלך האחסון. עבור מערכות הידרותרמיות קונבנציונליות (טמפרטורה מעל 150 ו-Deg;C), אחסון מושג לעתים קרובות על ידי התאמת ייצור והזרקה של סוללות לטמפרטורה נמוכה יותר, משאבות חום ומחסנים ממונדסיים הופכים חיוני לרמה של זמן פנויה במשך 4-12 שעות נוספות.

ביצועי מפתח

כאשר בוחנים פתרונות אחסון גיאוגרפיים, מפעילי רשת לשקול מספר פרמטרים טכניים:

  • יעילות ה-Round-trip (RTE): ההרחבה של תפוקה חשמל לקלט אנרגיה תרמי.מערכות מודרניות משיגות RTE של 60-80%, בהתאם לטמפרטורת האחסון ולטכנולוגיית ההמרה.
  • (FLT:0) יכולת הפעלה (MWh-th): כמות האנרגיה התרמית הכוללת שניתן לאחסן.
  • משך הטעינה:0 (FLT:1) הזמן שבו ניתן להעביר אנרגיה מאוחסנים בדרגת כוח.מגארד ג'ותרמאל בדרך כלל מצטיין משך של 6-24 שעות, עם יכולות עונתיות מתעוררות.
  • (ב) ,0) זמן תגובה: מהירות הפלט שניתן להעלות על ידי מערכת אחסון הירומטר להגיב תוך דקות, בדומה לטורבינות גז.

מדדים אלה מציבים אחסון גיאותרמאל כשלימים סוללות קצרי-הדור (אשר מטפלות בתנודות של שניות עד שעות) ומתחרה לשאיבה הידרו לאיזון בינוני.

פתרונות אחסון אנרגיה גיאותרמית

תיק מגוון של טכניקות אחסון פותח, כל אחד מתאים לתנאים גיאולוגיים שונים, טווחי טמפרטורה, דרישות רשת.שלוש הקטגוריות העיקריות הן אחסון אנרגיה תרמית (TES) בתקשורת מונדסת, אקוויפר אחסון מאגר, אחסון מבוסס משאבה חום.

אחסון אנרגיה תרמית (TES) בהנדסת מדיה

מערכות TES משתמשים בחומרים מוצקים או נוזליים לאחסון בטמפרטורות גבוהות.מדיה אחסון משותף כולל מלחים מלוטנים, קרמיקה, סלע מחץ וחומרים של שינוי שלב. בהקשר גיאותרמאל, חום בדרך כלל מופק מן הגיאוותרמאל הלוט מועבר לאחסון באמצעות חילופי חום. כאשר חשמל הוא צורך, החום המאוחסן משמש לנוזל עבודה (כגון מחזור אורגני) כי מניע טורבינות.

תצורה מבטיחה אחת היא הרעיון של שטח גיאוגרפי:0 (AGS)BuildFLT:1, שבו עודף חום מצמח גיאותרמאל מאוחסן במיטה סלע מבודד או מערך של נחורים ב subsurface. The Heat Earth Storage (HEET) בשבדיה הראה אחסון של עד 90 GWh-th בשדה מוטבע, עם טמפרטורות מכומרות גבוהות יותר, 000 ליטרים (הוא) מ-Crowtollowing, 000 מ-R.

Aquifer and Reservoir Storage

אחסון אנרגיה תרמי (ATES) מנצל היווצרות מים תת-קרקעית טבעית כמו מאגרים אחסון. במהלך תקופות של ביקוש חשמל נמוך, מים קרקעיים מוחזרים מהצטננות, מחומם באמצעות חום גיאותרמאל או עודף חשמל מתחדשים, מוזרק לתוך באר חם.המים מחומם מאוחסנים באקקוויפר, אשר פועל כמו גם תרמית טבעי בתוך תעלה, כיוון של זרימה לאחור, הוא מפלט מים חמים, מפלט מים חמים.

מערכות ATES אטרקטיביות במיוחד משום שהן ממינוף תשתיות תת-קרקעיות קיימות ולא דורשות מיכלי משטח גדולים.עיר שטוטגרט, גרמניה, מפעילה מערכת אזורית של ATES המספקת הן חימום והן קירור לבניינים, תוך תמיכה גם באי איזון רשת בארצות הברית, המחלקה לאנרגיה ופרקו; משרד Gether Technologies במימון לאחסון אנרגיה תרמיל (RT) באמצעות מערכות קירור חשמליות, אשר יכולות חשמליות לאחר מכן, באמצעות מערכות רדיו-סגולות, אשר יכולות להזיזוכות אוויריות (GV) יכולות ל-GR) יכולות ל-GRGRGRGR) יכולות ל-GRVRVR) יכולות ל-GRVR.

משאבת חום (Gethermal Heat Pumps with Seasonal Storage)

מערכות גיאותרמיות, לעתים קרובות פרוסות לבניית חימום וקירור, ניתן לפנות מחדש לאחסון בקנה מידה רשת. משאבת חום גיאותרמית (GHP) מעבירה חום בין הבניין לבין תת-קרקעי הרדוד. על ידי חיבור מערך גדול של חבורות לתחנת משאבת חום מרכזית, שירותים יכולים לאחסן עודף חשמל מתחדש כמו חום באדמה במהלך הקיץ ולשחזר אותו במהלך החורף זה מספק סוללות עונתיות לא יכול להשיג מבחינה כלכלית.

קהילת השמש של דרייק נחיתה באלברטה, קנדה, משתמשת במערכת אחסון אנרגיה תרמית של עקרב (BTES) עם 144 נבגורות כדי לאחסן חום סולארי בקיץ לשימוש בחורף, לפגוש 97% של הקהילה ’ הביקוש להתחממות; בעוד שדוגמה זו אינה קשורה ישירות לדור כוח גיאותררמי, אותו מושג ניתן לדרג כדי לאחסן מצמחים גאותרמיים או מרוחות עודף ושמש באמצעות רכיבי חום מספיקים (C) באמצעות מעגל, כדי ליצור חום (חום) עם רמת חום או חום (דירוג חום) עם רמת חום (חום) או חום (חום) או חום (חום) באמצעות רשתות חום (חום) כדי למנוע חום (חום) כדי למנוע חום) באמצעות מעגל) כדי למנוע חום (דירוג C).

שילוב גריידי: כיצד אחסון גיאותרמל מספק שירותי יציבות

היכולת לטעון ולשחרר על הביקוש הופכת את אחסון גיאותרמאל לכלי צדדי עבור מפעילי רשת.התתת הבאה מפרטת את השירותים הספציפיים כי אחסון גיאוגרפי יכול לספק.

עקבו אחרי Balancing and Peak Shaving

הביקוש החשמלי עוקב אחר דפוסים יומיים ועונהיים צפויים.מערכות אחסון ג'ותרמאל יכולות לטעון בשעות מחוץ ל-peak (בדרך כלל בלילה או בסופי שבוע) כאשר מחירי החשמל הסיטונאיים נמוכים בשעות אחר הצהריים, החום המאוחסן מומר לחשמל ונמכר במחירים פרמיה.זה קצב לא רק משפר את הכלכלה של הצמח הגיאורמי, אלא גם מקטין את הצורך להתחיל את התחנות הדלק הטבעיות על ידי מחקר שנתי של 4 ליטר (REL) להגדלת נפח האנרגיה התקני אחסון בינוני (R) ל- 4 שעות אחסון סטנדרטית של 4 שעות אחסון סטנדרטית) ל-4% מ- 4 שעות אחסון סטנדרטיות של 4 שעות אחסון בינוניות ל-46 עד 4 שעות.

תקנות תדירות ותגובה מהירה

תדירות גריד חייבת להישאר בתוך גבולות צרים (למשל, 60 הרץ ± 0.05 הרץ בצפון אמריקה) חוסר איזון פתאומי בין היצע וביקוש גורמים סטיית תדר שיכולה להזיק ציוד.מגרש יכול לספק ⁇ :0primary תדר תגובה FLT:1 על ידי הפעלת השיעור שבו חום מאוחסן מועבר ל-טורבינה בינונית כמו גם מתח תרמי, 000 זה יכול למנוע שינויים גרף בזהירות, ללא לחץ גיאומטריד.

ספין-רביטר ו-Contingency Backup

כאשר גנרטור גדול או קו שידור נסיעות באופן בלתי צפוי, הרשת צריכה קיבולת מילואים שיכולה לעלות בתוך 10 דקות. מערכות אחסון גיאותרמית ניתן לשמור במצב של “ עמידה חמה, ” שבו מדיום האחסון הואשם במלואו ואת טורבינות הוא מסונכרן לרשת אבל פועל על עומס מינימלי.

שחור מתחיל יכולת

בזרם מלא של חשמל, צמחי חשמל צריכים מקור חיצוני של חשמל כדי לחדש את המערכות שלהם. צמחי גותרמאל עם אחסון יכולים לספק:0 שחור התחלותFLT:1 יכולות: החום המאוחסן ניתן להשתמש כדי לייצר חשמל ללא להסתמך על חשמל רשת.זה שירות אמינות קריטי כי כמה משאבים מתחדשים יכולים להציע, יצירת אחסון גיאותרמלי יקר עבור רשתות אי ומיקרוגרפיים.

היתרונות של אחסון גיאותרמל עבור ניהול גריד

מעבר לשירותים הספציפיים המפורטים לעיל, אחסון אנרגיה גיאותרמית מציע יתרונות מערכתיים התומכים בדה-קרבה רחבה יותר של מגזר החשמל.

שיפור יכולת וגמישות

על ידי קליטת דור מתחדשים עודף ושחרורו כאשר נדרש, אחסון גיאותרמאל מנקה את התנודתיות הקשורה ברוח ושמש.רשת עם אחסון גיאותרמאל משמעותי יכול לשלב חדירה גבוהה יותר של משתנים מתחדשים ללא להקריב אמינות.זה חשוב במיוחד כמו אזורים מכוונים ל 80-100% חשמל מתחדשים עד 2040.

צמצום התחזוקה של חברת Fossil Fuel Peakers

צמחי שיא יקרים לפעול ולפלט כמויות גבוהות יחסית של CO2 ומזהמים ל-MWh כי הם לרוץ רק כמה מאות שעות בשנה. אחסון גיאותרמאל יכול לפסול את הצמחים האלה, להפחית את פליטות ולשפר את איכות האוויר המקומית. ניתוח של A 2022 על ידי חיל האוויר הנקי מצא כי החלפת 1 GW של פסגות גז טבעי עם אחסון גיאותרמאל יכול להפחית את פליטות הפחמן השנתי על ידי 1.5 מיליון טון.

חיסכון בעלויות באמצעות הגדלת Utilization

צמחי כוח גאוותרמאל יש עלויות קבועות גבוהות אך עלויות משתנות נמוכות יותר מאפשרות לצמח לפעול במלוא יכולתו למשך יותר שעות ביום, ובכך להפחית את העלות המדרגת של חשמל (LCOE) האחסון עצמו גם יתרונות מהעלות הנמוכה של חום גיאותרמאל (לעיתים פחות מ- 002/kWh-th), מה שהופך אותו זול יותר מסוללות למשך יותר מ- 6 שעות.

סינרגיות עם מקורות חדשים אחרים

אחסון גיאותרמאל יכול להיות מואשם לא רק על ידי חום גיאותרמאל, אלא גם על ידי רוח מופחתת וחשמל סולארי. במהלך תקופות של התחדשות, מחירי החשמל יכולים לרדת אפס או שלילי. במקום לצמצם את התפוקה המתחדשת, הכלים יכולים להשתמש חשמל זול כדי כוח נגד תנורי חום או משאבות חום כי גובים את האחסון הגיאוגרפי.זה יוצר מערכת חימום היברידית המשפרת כי משפרת את הנכסים הכולל ולהפחית את אחוזי הפחתת.

אתגרים ומכשולים טכניים

למרות הבטחתו, פריסה נרחבת של אחסון גיאותרמאל מתמודדת עם כמה מכשולים הדורשים המשך מחקר והשקעות.

עלויות הון גבוהות

בארות קידוח, בניית מתקני חום, והתקנת אמצעי אחסון תרמיים הם מערכת RTES בקנה מידה בינוני (50MW, 8 שעות אחסון) עשוי לעלות 250 מיליון דולר, השווה ל הידרודב אך עם היתר קווי זמן ארוכים יותר.עם זאת, עלויות צפויים לרדת כמו קידוח טכנולוגיות לשפר (החל מנפט וגז) ורמות ייצור.

מגבלות גיאולוגיות של האתר-Specific Geological Limitations

לא לכל מקום יש שילוב נכון של אחריות, סגסוגת טמפרטורה, ורכב סלע לאחסון יעיל. ATES דורש אקוויפר עם מספיק פורוזיות וערך מים מתוקים נמוך. אחסון מבוסס EGS עובד הכי טוב היווצרות סלע יבש חם, אשר נפוץ יותר באזורים פעילים סטטיניים.Preliminary Characterization באמצעות סקרים גיאופיזיקה ומבחן הוא חיוני כדי להוסיף עלויות.

אובדן חום והשפעה

במהלך תקופת אחסון ארוכה (שבועות עד חודשים), חום מתפוגג בהדרגה לתוך הסלע שמסביב. במערכות ATES, אובדן חום יכול לנוע בין 10% ל 30% בהתאם לנכסים וגאומטריה של אקוויפר. חומרים בידוד מתקדם ועיצובים מותאמים היטב מפותחים כדי להפחית את ההפסדים האלה.בנוסף, רכיבה תרמית עלולה לגרום ללחץ מכני בסלעים ליד ה- Wellbore, פוטנציאל לשחיקה ולהשפעה של פעילות יתר של עשרות שנים.

סליחות וגירוש

הזרקת תת-קרקעית ואחסון של נוזלים מחוממים כפופים לתקנות סביבתיות לפי חוקים כגון חוק המים הבטוחים (בארה"ב) ו- EU Water Framework Directive. Permitting יכול לקחת 3-7 שנים, והשגת קבלה קהילתית דורשת תקשורת שקופה על סיכון סיסמי והגנה על מים קרקעיים רבים אין סיווג ברור של אחסון גיאותרמאלי כמו ייצור אנרגיה או אחסון, יצירת אי-ודאות עבור מפתחים.

פרויקטים אמיתיים ומקריות

פרויקטים חלוצים רבים מפגינים את יכולת ההיתכנות הטכנית ואת יכולתה הכלכלית של אחסון גיאותרמי.

הג'ירס, קליפורניה

השדה הגיאולוגי של Geysers בצפון קליפורניה הוא העולם ’ המתחם הגיאוגרפי הגדול ביותר, עם יכולת מותקנת של מעל 1.5 GW. בשנת 2018, Calpine Corporation יישמה FLT:0re-injection שיפור התוכנית igtureFLT:1 כי פונקציות כמו צורה של אחסון: בתקופות של השקעה נמוכה, עודף הוא להסיט ולהזרק לתוך depleed היטב, 000 ביעילות, 000 000 יעיל יותר יעיל יותר של כוח אחסון.

Krafla Gethermal Power Plant, איסלנד

איסלנד ’s Krafla צמח (120 MW) משתמש ב-FLT:0borehole תרמי אחסון אנרגיה תרמית אחסון FLT:1 מערכת המחוברת לרשת חימום מחוזית (120MW) במהלך הקיץ כאשר הביקוש חימום הוא נמוך, עודף חום גיאותרמי נשמר בשדה קרב עמוק 300 מטר המכיל 14 נבות.בחורף, החום המאוחסן כדי לספק מים חמים עבור העיר הקרובה של אקריבי, מספק תוספת אחסון מסיבית של זרם אחסון מסיבי נוסף.

פרויקט טייס בקורנוול, בריטניה

פרויקט הכוח הגאוותרמי בקורנוול (Granwall) ממקד היטב בעומק של 5 ק"מ לגישה לסלעים גרניט חמים.A מתוכנן FLT:0.RTES רכיב ראשיFLT:1 ישתמש ברשת שבר לאחסון חום עודף שנוצר במהלך תקופות ביקוש נמוך.הפרויקט הוא במימון משותף על ידי ממשלת בריטניה ’s Energy Funds וצפוי להיות מבצעי על ידי 2025 תספק פריסת נתונים לטווח ארוך.

כיוונים עתידיים ומחקר

מספר אבני מחקר מבטיחות להפחית עלויות, לשפר את היעילות, ולהרחיב את הכדאיות הגיאוגרפית של אחסון גיאותרמי.

הנדסה מתקדמת

חוקרים מפתחים מודלים מתוחכמים של תהליכים תרמי-hydraulic-mechanical-mechanical-כימיקליים (THMC) במאגרי אחסון.אלגוריתמי למידת מכונות יכולים לייעל את ההזרקה ואת לוח הזמנים של הייצור כדי למקסם את ההתאוששות החום תוך צמצום הסיסמיתות המושרה.DoE ’s forGE (מרכז המחקר בג'רמי אנרגיה) ביוטה הוא מבחן לטכניקות כאלה.

מערכות היברידיות עם כוח סולארי מבוזר

שילוב אחסון גיאותרמאל עם כוח סולארי מרוכז (CSP) צמחים יוצר וולדקו; חום גיאוותרמלי ” היברידית חולקת תשתיות אחסון תרמיות במהלך שעות שמש, CSP מחמם את מדיום האחסון; חום גיאותרמי שומר על הטמפרטורה בין לילה.סינרגיה זו מגבירה את היכולת > 90% ומפחיתה את העלות של אחסון על ידי הפצת נכסים קבועים על פני מקורות אנרגיה.

אחסון ישיר לתהליכים תעשייתיים

אחסון גיאותרמאל יכול גם לשרת עומסים תרמיים תעשייתיים (למשל, עיבוד מזון, ייצור כימי) הדורש חום עתיר רוח יציב. על ידי אחסון חום כאשר מחירי החשמל נמוכים, מתקנים תעשייתיים יכולים להפחית את עלויות האנרגיה שלהם ולהקל על הלחץ על הרשת.הפרויקט DESTS במימון האיחוד האירופי מדגים את הרעיון הזה במספר אתרים תעשייתיים ברחבי אירופה.

אחסון אנרגיה עונתי עבור High La Zonetitudes

מדינות כמו קנדה, שוודיה ופינלנד יש שונות עונתית קיצונית בזמינות השמש.אחסון אנרגיה תרמי בקנה מידה גדול (BTES) שהופקד על ידי אנרגיית השמש בקיץ יכול לספק חימום חורף ואפילו דור חשמל.המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת משתפת פעולה עם שותפים פינית כדי לעצב מערכת 100 GWh-th BTES אשר ישמשה מחוז של 10,000 בתים.

מסקנה

אחסון אנרגיה גיאותרמית מייצג יצירה נעדרת קריטית במעבר לרשת מתחדשת מלאה.על ידי מתן כוח גמיש, משלוח ממשאב בסיס, הוא מתייחס לעקשנות של רוח ושמש תוך מתן שירותי יציבות חיוניים כגון רגולציה תדירות, מילואים מסתובבת, וכושר התחלה שחור.מגוון טכנולוגיות אחסון ו-mdash; מטנקים מלח מלוטשים ועד תת-קרקעית כדי לשחית שדות גאותים; מגוון רחב של תנאים גאולוגיים ומפוזרים.

בעוד אתגרים נשארים, פרויקטים פיילוט מתמשך ויוזמות מחקר הם בהתמדה להפחית עלויות ושיפור ביצועים. עם מדיניות תומכת כי לזהות את הערך הייחודי של אחסון לטווח ארוך, אחסון גיאותרמאל יכול להשיג בגרות מסחרית בעשור הבא. מפעילי רשתות ומתכננים שירותים צריך להתחיל לשלב אחסון גיאוגרפיתרמי לתוך תיק המשאבים שלהם עכשיו, תוך מינוף היכולת שלה לטעון, לשפר את החוסן, עמידות, ולהפחית את כדור הארץ יציב, כמו גם למחזור אנרגיה יציב, כמו גם למחזור חשמלי יציב, כמו גם למחזור אנרגיה.